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摘要微细多孔介质的辐射传热研究由来已久，传统的辐射传热理论一般不考虑辐射传热的波动效应，所以在宏观尺度热辐射计算过程中具有较高的准确性。但在微尺度范围内，波动效应无法忽略，所以研究这类问题严格的数值解都是建立在 Maxwell 方程组之上。本文在前人研究微细多孔介质传热的基础上加上了外部强能量激光源，探究了各个物理量对微细多孔陶瓷介质在辐射热流下的温度分布机理，根据本课题的研究情况选取合适的数学模型进行数值计算和仿真。结果显示，多孔介质的各物理参数对在多孔陶瓷介质中的温度分布有不同程度影响。27551
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毕业论文关键词 多孔介质 辐射换热 微尺度 温度分布
Title Temperature distribution simulation of micro porous ceramicmedium with radiant heat fluxAbstractThe research of the radiation heat transfer in micro porous media has been donefor a long time. Traditional radiated heat transfer theory does not consideredthe effects of fluctuation generally. In this case, the accuracy in the processof calculation in macro-scale radiation is high. But in the range of micro-scale,waved effects can not be ignored. So the strict numerical solution which got throughresearching this kind of problem is based on Maxwell Equation. Based on heattransfer on micro porous medium in previous researches and external high energylaser source in this thesis, the author discussed the mechanisms of temperaturedistribution in micro porous ceramic medium which is based on different physicalquantities under the circumstance of radiant heat flux. According to the researchsituation of this thesis, the appropriate mathematical model is selected fornumerical calculation and simulation. The results showed that the physicalparameters of the porous media had different effects on the temperaturedistribution on porous ceramic media.Keywords Porous media Radiative heat transfer Microscale Temperaturedistribution
目 次
1 绪论· 1
1.1 研究背景及意义· 1
1.2 研究现状 1
1.3 本文的主要工作内容· 5
2 多孔介质传热机理· 6
2.1 引言 6
2.2 多孔介质的基本参量· 6
2.3 多孔介质传热理论 8
3 辐射热流下多孔陶瓷温度研究 10
3.1 模型的数学表达形式10
3.2 模型设定·14
3.3 结果分析·17
3.4 小结·20
4 微细多孔介质影响因素22
4.1 物理模型及参数22
4.2 球形模型·26
4.3 其他参数的影响31
结 论· 34
致 谢· 35
参考文献36
1 绪论1.1 研究背景及意义多孔介质是指多孔固体骨架构成的空隙空间中充满单相或多相介质[1]的一类物质。现实中我们见到的物质大多都可以看做是多孔介质或由多孔介质组成。人们对多孔介质的研究由来已久，在 1856 年，达西（H.Darcy）在研究地下水勘察与探测的时候就提出过著名的达西定律。在外部辐射热流作用下，多孔介质的温度分布不仅受到空隙的几何分布、多孔多孔介质的物理特性的影响而且还与能量穿透率有很大的关系，不仅在进入大气层时飞行器的保温隔热、卫星飞船的温度控制等工业方向，还是在多孔燃料电池燃烧等民用方向都有应用前景。但是由于多孔介质的复杂几何形和复杂物理性，在对多孔介质温度数值模拟时，需要考虑对物理场进行简化处理并做出一些假设，这些问题的解决都需要我们进行广泛而深入的研究。1.2 研究现状1.2.1 热辐射特性的研究多孔介质的辐射特性与很多因素有关，如多孔介质的粗糙度、孔隙率、表面的氧化、微结构等等。多孔介质的微结构对多孔介质的辐射特性有很大的影响[3]。周期性微结构指的是多孔介质的几何结构或参数以相似的波长呈周期性分布。因此，在此类多孔介质中的辐射能量大多与电磁波的形式传播，并且不同的多孔介质具有有不同的传播性质，如反常的折射、反射和透射现象，这就使得这些多孔介质在某些方面具有很好的应用前景。热辐射特性研究从研究对象上可以分为两种情况：表面辐射特和参与介质辐射特性。表面辐射特性在太阳能利用、航空航天等空天运用领域中有重要应用，如：航天器表面温度控制[4]、航天器电池阵[5]、目标红外特性[6]等。多孔介质表面的辐射特性对换热设备或系统的性能影响很大，已经确知，表面的光谱辐射特性和表面的粗糙度、氧化率和污染情况有关[7]。对半导体进行加工时，表面微结构随机分布，这会导致半导体的辐射特性不同，它是成为硅片温度测量的一个非常急需解决的问题[8]。微细加工过程中微细特征决定了半导体表面的辐射性能，研究纳米技术中使用的近场扫描光学显微镜（NSOM）和扫描隧道显微镜（STM）就是利用辐射能量在近场传输的特征实现对物体表面的探测的[9]。随着科学的发展，人们对辐射特性的方向性和光谱性研究提出了更高的要求，因此还需要从微观角度对辐射光谱辐射特性进行研究，因此，分析辐射传热的机理，开展多孔微尺度下表面辐射光谱特性的研究，对了解辐射换热的规律，改进或提高相关装置系统的设计有重要的理论和实际意义。在实际工程技术领域中，通常涉及到的多孔微尺度辐射特性都比较复杂。相对于宏观问题，我们需要考虑更多的情况，如：梯度折射率膜的离散厚度与入射波长相近时的影响；入射波偏振角度不同的影响；多孔介质表面由电磁波激发的电磁场对入射波本身的影响；电磁波的相干性；多孔介质空隙几何分布；多孔介质的孔隙率等等。这些都是我们解决多孔微细结构热辐射传热问题所必须要面对的问题，这也造成了微尺度介质辐射特性的复杂性。在微观尺度下，多孔介质的特征尺寸多数情况下与所要考虑的入射波长或发射波长尺寸相当，所以在一定条件下，就可以用辐射传递方程来确定热辐射的能量传递。1.2.2 微尺度热辐射能量传递理论分析在传统的微尺度热辐射能量传递理论方法中，通常会做以下假设：（1）物体空间尺寸大小远远大于辐射波长；（2）多孔介质分子的松弛时间远远小于热辐射持续时间；（3）辐射能迅速转化为热能。传统的热辐射问题就是基于以上三点假设。微尺度多孔介质中辐射能量传递将以电磁波的形式进行传播，微尺度多孔介质与热辐射的相互作用也会变为微尺度多孔介质与热辐射传热的相互作用。由于尺度效应的影响，所以微尺度下多孔介质的辐射温度特性必须借助电磁波的基本理论来对其进行研究。麦克斯韦方程（Maxwell）根据能量和光子学说[10]光子携带的单位能量为其中，h 为普朗克常数，v 为光子的频率（热辐射光子不变基本属性）。光子在真空中的传播速度是光速，在介质中传播速度为nc （1.2）其中，c 为光速，n 为介质的折射率。描述光子的特征参数有：波长（ ）、频率（v ）、角频率（ ）、波数（k ）。用麦克斯韦方程组描述微结构热辐射问题中电磁量关系变化为[11,12] 00HEEtEHtH E (1.3)其中，E是电场强度，H是磁场强度， 0 是真空磁导率， 是介电常数， 是电导率， 是体电荷密度，t 为时间。前面两个方程为旋度方程，表示电磁波在传播过程中磁场和电场相互作用关系，是麦克斯韦方程组的基本方程。后两式是电磁场的边值关系式。求解该麦克斯韦方程（Maxwell）组，就可以确定微尺度多孔介质与热辐射相互作用后的电磁场能量分布。