多体系统辐射导热耦合换热及表面辐射特性

摘要

辐射导热耦合换热在航空航天、能源利用等领域具有广泛应用，对辐射与导热耦合问题的研究在提高能源利用效率、飞行器热控制及绝热材料热分析等方面有重要价值。同时为进行相关辐射换热计算、光学测量及目标探测等，需要对材料表面辐射特性进行研究。本文对复杂物体间的表面辐射与导热耦合换热进行了分析与计算，应用离散坐标法对物体间表面辐射换热进行计算，在得到表面辐射热流后，以此作为边界条件对物体内部的导热过程使用有限体积法进行模拟，最终得到整体温度场。同时使用实验测量和数值模拟的方法对固体材料表面的双向反射分布函数（BRDF）进行测量和模拟，分析不同材料、光源波长、温度及表面粗糙度对BRDF的影响。
　　通过程序计算结果和Fluent计算结果的对比，验证了表面辐射与导热耦合换热程序的正确性。对多物体系统整体的温度场进行求解，结果表明，在考虑自身发射及环境辐射辐射条件下，目标间辐射换热对温度场有较大影响，在保证计算精度前提下，可适当减少离散坐标数，不会对计算结果产生较大影响，并且可以有效减少计算时间。
　　在可见光和红外波段，对铝样片的BRDF测量结果表明，对于这两种波段，铝样片都表现出明显的镜反射特征。此外使用红外波段光源对钢和几种非金属材料的测量结果表明，光滑金属表面易出现镜反射特征，粗糙非金属表面可以作为漫反射表面处理。对随机粗糙表面的双向反射分布函数用几何光学近似方法模拟，结果表明，在373K到773K的温度区间内，对于偏振光与非偏振光，金属钛入射平面内的BRDF分布随温度升高有下降趋势，但降低程度很小。随着随机粗糙面粗糙程度增加，钛入射面内的BRDF随反射天顶角变化曲线的峰值逐渐减小，曲线由陡峭逐渐趋于平滑。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 表面辐射换热与导热耦合研究现状

1.2.2 表面辐射特性的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 复杂物体表面辐射与导热耦合换热的数值求解方法

2.1 导热离散方程的推导

2.1.1 导热方程的离散

2.1.2 边界条件处理

2.2 表面辐射换热推导

2.3 本章小结

第3章 表面辐射与导热耦合换热模拟计算

3.1 计算程序的验证

3.1.1纯导热问题求解的验证

3.1.2 表面辐射换热计算及辐射遮挡验证

3.2 复杂多物体系统辐射导热耦合分析

3.2.1计算模型的建立

3.2.2 部分组件计算结果与分析

3.2.3 模型整体辐射及导热耦合分析

3.3 本章小结

第4章 表面辐射特性实验测量及数值模拟

4.1 双向反射分布函数测量实验台介绍

4.2 几种常见材料BRDF测量结果与分析

4.2.1 不同入射波长下铝片的BRDF

4.2.2 不同入射角度下几种金属、非金属表面的BRDF

4.3 粗糙表面双向反射分布函数的数值模拟

4.3.1 不同温度下粗糙钛板的BRDF

4.3.2 不同表面粗糙度下钛板的BRDF

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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