梯度折射率热辐射的研究现状及在航天器技术中的应用展望

在综述近年来国际上梯度折射率热辐射研究与应用现状的基础上,简要介绍了梯度折射率介质层热辐射传递的基本物理特征,以及由此引起的热辐射平衡温度分布特性、辐射-导热耦合换热特性及介质层的表观辐射特性。梯度折射率介质热辐射所显示的一些特殊性质,使之可能在未来航天器各技术领域中有不同程度的应用前景,对此进行了初步分析和展望。

球形纳米粒子与半无限大介质间的近场辐射换热研究

本文从涨落电动力学和偶极子近似出发,推导了纳米粒子与半无限大介质在微纳米距离间的辐射换热公式,研究了间距、频率对辐射换热的影响。通过计算,我们发现近场辐射能够在与材料相关的频率上极大地强化换热。这些结果对于近场显微镜、微结构设计和局部加热技术都将会有很重要的指导作用。

典型多尺度海面结构体辐射散射方向-光谱特性计算与分析

针对3级以上海况的高精度海洋场景红外仿真问题,提出一种“先拆后建”的研究思路:将含泡沫和破碎波的多尺度海面抽象为粗糙海面、泡沫、破碎波的组合,进而拆解出“粗糙海面”、“含泡沫粗糙海面”、“含破碎波粗糙海面”3类典型多尺度海面结构体,最后通过海面栅格化、结构体匹配、方向-光谱特性重构渲染等方法,由3类典型多尺度结构体方向-光谱特性组合重构大范围海面辐射散射特性,完成多尺度海面“气-面-体”耦合辐射/散射特性的计算。对拆解出的3类典型多尺度海面结构体分别开展多尺度耦合辐射、散射特性建模研究,构建3类多尺度海面结构体辐射散射方向-光谱特性计算模型,并对结构体辐射散射方向-光谱特性的影响因素进行分析,结果表明:随着海面风速的增大,海面典型结构体中的泡沫厚度及气泡浓度逐渐增大,使得结构体的散射能力增强,从而增大结构体的双向反射分布函数;随着探测波长的增大,海水的吸收性显著增强,导致不同风速条件下结构体双向反射分布函数之间的差异显著增大;对于不同的入射角,结构体双向反射分布函数最大值对应的天顶角随入射天顶角的变化逐渐发生变化。

西部多能源互补利用的分布式能源系统方案探讨

在深入了解国内外分布式能源系统的发展及研究状况的基础上,结合我国西部地区能源分布及利用现状,提出一种新颖的适合西部的可再生能源与化石能源组合的多能源互补利用的分布式能源系统方案。在系统中引入沼气产生系统、水合物存储系统。本方案不仅能解决当地用电、取暖、生活用气的问题,而且可显著改善西部生态环境,提高活质量,更符合我国目前构建资源节约型环境友好型的社会主义和谐社会的战略要求。

双向蒙特卡罗法模拟参与性介质中的辐射换热

双向蒙特卡罗法继承了正向蒙特卡罗法和反向蒙特卡罗法两种方法的优势,不仅可以解决各种各向异性散射问题,还能简易直接地解决辐射能量的方向性和定位置问题。为了验证双向蒙特卡罗法模拟热辐射传递,与文献中其它方法计算结果进行了比较。最后,利用双向蒙特卡罗法模拟计算圆柱形参与性介质中的辐射换热。

基于太阳能及生物质能综合利用的分布式能源系统探讨

结合中国西部的能源现状及地域资源优势,提出一种新型的太阳能及生物质能综合利用的分布式能源系统,该系统主要由供电系统、供热系统、供气系统构成,形成一种高效无污染可以供沼气、供热、供电、提供农业生产肥料等能量梯级利用的综合供能系统。通过该系统模型的建立,探讨了该系统的可行性以及在可再生能源利用及环保节能等方面将起到的积极推动作用。

太阳能技术在建筑节能中的应用形式及工程实例分析

通过太阳能技术在建筑节能中应用形式的探讨和典型工程实例分析,指出太阳能技术应用于建筑的环保性、经济性以及在缓解能源紧张、节能减排、促进社会经济可持续发展中所起到的重要作用,提出应积极推广太阳能技术在建筑上的应用。

纳米隔热材料热辐射特性的理论计算

高温下纳米隔热材料内热辐射的影响将显著增强,其热辐射特性对热辐射传热有很大影响。为了认识高温纳米隔热材料的热辐射特性,采用Mie理论建立了掺杂纤维增韧剂和遮光剂的纳米隔热材料热辐射特性理论计算方法,编写了纳米隔热材料热辐射特性计算程序,对某纳米隔热材料的热辐射特性进行了理论研究,得到了光谱衰减系数、光谱散射反照率以及全光谱平均辐射特性参数及散射相函数。理论模拟结果表明:在3～9.5μm波长范围内,纳米隔热材料对热辐射具有强烈的衰减作用,对3～7μm的热辐射呈现强烈的散射特征,对7～9.5μm的热辐射,随波长增大散射特征逐渐减弱,对9.5μm的热辐射呈现较强的吸收特征。在300～1 300 K,该纳米隔热材料全光谱平均衰减系数>5×104 m-1,平均散射反照率>0.96,具有较强的前向散射特征,这些特征来源于遮光剂粒子,增韧剂影响很小。

固体火箭发动机低空羽流场的相似研究

本文针对固体火箭发动机低空羽流场的数据外推问题进行研究。应用相似方法分析发动机低空羽流场模型,整理相似准则及相似条件。简化相似模型,根据工程计算半经验方法,拟和低空羽流温度场的计算公式,计算结果与工程计算数据基本吻合,验证了相似方法的可行性。

导弹尾喷焰红外辐射特性有限元法研究

在给定浓度场、温度场、粒子和气体组分辐射物性参数的条件下，通过插值方法对于给定物性进行回归，使其变为坐标的多项式函数关系式，同时将分区有限元模型用于导弹主动段尾喷焰红外光谱辐射特性计算。考虑粒子散射的情况，计算了2．7μm、4．3μm波长处的光谱出射辐射强度场；通过与贴体坐标系下的有限体积法的计算结果比较，证明了分区有限元模型的正确性和可行性。最后，对提出的分区有限元模型的计算误差进行定性和定量分析。

轮胎面定日镜焦平面处热流分布的数值模拟

本文使用蒙特卡洛方法对新型轮胎面太阳能聚能器的焦面特性进行了数值模拟计算,计算了当入射面积增大时焦平面处的热流分布变化,之后计算了考虑太阳不平行度时,在不同的镜面指向误差、系统跟踪误差等因素的影响下,接收面积为1 m×1 m的聚能器在其焦平面处的热流分布变化。

气动加热下光学窗口传热特性的数值模拟

针对气动加热条件下光学窗口辐射导热耦合传热开展研究,以了解光学窗口的热辐射发射规律及热防护性能。采用有限体积法、蒙特卡罗法、谱带模型建立了具有镜反射界面的光学窗口辐射传输及辐射导热耦合传热计算模型,对具有两层SiO2玻璃的光学窗口传热特性进行了模拟。结果表明处于高温区玻璃向外发射热辐射,低温区玻璃吸收热辐射;除了加热面附近外的玻璃区域,辐射热流密度远大于导热热流密度,在2.9～4.2μm谱带内的辐射热流密度大于0.4～2.9μm谱带内的;在0.4～2.9μm谱带内,可见光波长内的出射辐射热流密度最小,中红外波长范围内出射辐射热流密度最大。在光学窗口总厚度一定的情况下,降低玻璃层厚度和玻璃夹层气体热导率能够有效降低光学窗口非加热面稳态温度。

周期性微结构硅基表面辐射特性数值研究

本文通过时域有限差分法求解Maxwell方程组,分析微结构表面与入射辐射间的相互作用,结合近场-远场辐射转换模型,获得了尺寸、温度和入射波长等参数对表面双向反射分布函数的影响规律,研究结果为热辐射的光谱和方向调控技术提供了数值基础。

微粒群算法反演粒径分布的研究

本文根据多波长下的Mie光散射理论及Lambert-Beer光透射定律,提出一种基于多相微粒群算法(PSO)反演粒子系粒径分布的有效方法。对于独立模式和非独立模式下的粒子粒径分布进行了反演计算,获得了合理的粒径分布。

基于高精度解析解的航天器热设计方法

针对微小卫星热设计需求,基于球形双层集总参数模型,解析求解了双节点动态热平衡方程。提出使用多个类谐波近似处理周期性外热流边界的手段,消除外热流近似带来的计算误差。通过单次线性化处理,直接求解动态热平衡方程,得到高精度的动态温度解析解,使用四阶Runge-Kutta方法进行了数值验证。基于高精度解析解,设计了航天器导热-辐射双参数直接调控计算程序,对某小卫星模型进行热设计,对设计结果进行热仿真计算,验证了设计方案的可行性与准确性。

高温含粒子自由流红外辐射特性的反向蒙特卡罗法模拟

高温含粒子自由流红外辐射特性的研究在目标探测、燃烧诊断、火焰温度测量等领域有着重要应用.利用反向蒙特卡罗法模拟计算高温含粒子自由流的红外辐射特性,考察了自由流中粒子散射和边界条件对定向辐射热流的影响,并与正向蒙特卡罗法进行比较,比较结果表明反向蒙特卡罗法在计算效率上明显优越.

导弹尾喷焰目标红外特性的数值仿真

综合考虑计算精度和计算效率，基于传统热流法，提出了求解导弹尾喷焰目标红外辐射特性的源项六流法（SSF）模型。以圆柱形介质方向辐射强度的求解为例，通过与反向蒙特卡洛法（BMC）和二流法（TFM）计算结果的比较，证实了SSF模型的可行性和精确性。在给定温度场和粒子、气体等组分辐射物性参数的条件下，分别采用SSF、TFM和BMC法对不同高度导弹喷焰的红外光谱辐射强度进行了求解，结果表明：在2～5斗m波段内，导弹喷焰在2．7、4．3μm（相应波数分别为3704和2326cm^-1）谱带上具有明显的强度峰值，同时，SSF与BMC结果吻合较好，进一步证实了SSF模型的合理性。

抛物面式太阳能聚能系统聚光特性模拟

结合集热器的光学特性,本文应用蒙特卡罗法对理想的槽型和碟型两种抛物面集热器在不同焦距、不同边缘角时焦面上的热流密度进行了计算,获得了焦距、边缘角和聚光比之间的关系。在考虑太阳不平行度、跟踪指向误差、镜面的反射误差条件下,对碟型抛物面太阳能聚能系统的辐射特性进行了数值模拟分析,获得了吸收器壁面热流分布以及边缘角对焦面热流分布的影响,为太阳能聚能系统的设计和安装提供参考依据。

数值模拟喷焰2.7微米红外辐射特性

以固体火箭发动机尾喷焰的红外探测为主要应用背景,利用反向蒙特卡罗法和有限体积法计算了火箭尾喷焰红外辐射特性,获得了尾喷焰在探测波长为2.7μm下的红外辐射的空间、光谱分布特性,两种方法的计算结果也非常接近,具有重要的理论意义和实际应用背景。

非球形粒子的散射特性分析

本文首先利用T矩阵方法计算了复折射率吸收指数和折射指数变化时的椭球粒子和Chebyshev粒子在不同等效尺度参数下的光散射特性,并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较;然后分析以上两种类型非球形粒子散射特性之间的关系。结果表明:椭球粒子和Chebyshev粒子的散射特性与等效球形粒子的散射特性存在着差别,粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大;复折射率折射指数的变化对非球形散射效率因子的影响要比吸收指数的影响更大一些;当等效尺度参数相同时,椭球粒子与等效球形粒子的散射效率因子的差别要远远大于Chebyshev粒子与等效球形粒子散射效率因子之间的差别。