壳核结构纳米颗粒消光效应与近场辐射传热数值研究

摘要

微尺度下辐射研究可采用数值与实验研究方法。实验研究常受限于实验设备与操作环境。数值研究物理概念清楚，理论研究比较充分，简化假设较少，能较准确的反映实际的物理过程，其结果可作为进一步实验研究的依据。因而本文主要采用数值研究的方法分析微尺度下的辐射换热问题。
　　辐射换热属于传热领域的一个重要分支，根据不同温度物体间距离的不同，可以将辐射分成远场辐射与近场辐射。远场辐射可以通过斯蒂芬-波尔兹曼公式计算获得，结果与物体间的距离无关。而近场辐射却由于电磁波的耦合作用，随着物体间距离减小辐射换热量大大增加，并且与物体间距离呈六次方反比关系，同时可以通过改变物质结构、尺寸、材料等来改变物体间近场辐射换热的大小与换热的光谱区间。
　　纳米颗粒群间的辐射换热属于微尺度换热范畴，在此，引入一种新型物质结构，即半导体内核金属外壳构成的复合结构纳米颗粒，通过改变物质的半径、体积分数、阵列间的距离来控制物质的辐射换热特性。纳米颗粒群的消光作用可以分为吸收作用和散射作用，依据颗粒尺寸和体积分数的不同，纳米颗粒间的散射可以分为独立散射与非独立散射，近场辐射为非独立散射情况下颗粒间的辐射耦合作用提供了一种解释。
　　本文第一章介绍了本论文的研究背景以及国内外的研究现状。第二章引入辐射换热基础理论的介绍，包括Maxwell电磁理论与电介质函数模型，分析温度对介质电介质函数的影响以及不同电介质函数模型的区别，基于Maxwell原理的波动电动力学方法得到了两个平面间和两个颗粒间的辐射换热特性和光谱变化情况。第三章在第二章的基础上，得到了壳核结构纳米阵列间的近场辐射作用，包括壳核结构纳米颗粒阵列间的近场辐射和壳核结构纳米线阵列间的近场辐射，并依次计算了相应的近场辐射热传导。第四章则主要分析壳核结构颗粒群的消光效应，首先介绍颗粒辐射的散射与吸收理论，依次介绍与消光效应相关的Mie散射理论、基于射线追踪的蒙特卡洛方法、Quasi-static近似的Rayleigh散射方法，在以上理论研究的基础上，得到了不同尺度、体积分数、材料的纳米颗粒群的消光效应和辐射透射率。研究发现壳核结构的纳米线与纳米颗粒是一种很好的强化换热物质结构，相信相应的数值计算结果对微纳尺度下辐射换热的进一步研究有一定的参考意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国外研究进展及现状

1．3 国内研究进展及现状

1．4 主要研究内容

第2章 理论基础

2．1 Maxwell 电磁理论

2．2 电介质函数

2．2．1 Drude模型

2．2．2 Lorentz模型

2．2．3 Lorentz．Drude模型与Brendel—Bomann模型

2．2．4 复合材料电介质函数模型

2．2．5 半导体材料电介质函数与温度之间的关系

2．3 平面间近场辐射及镀膜作用

2．4 球体间近场辐射

2．5 本章小结

第3章 壳核结构阵列间近场辐射

3．1 壳核结构纳米颗粒阵列间的近场辐射

3．2 壳核结构纳米线阵列间的近场辐射

3．2．1 纳米线的电介质函数

3．2．2．计算结果与讨论

3．3 壳核结构纳米线或纳米颗粒阵列近场辐射传热

3．3．1 壳核结构纳米颗粒阵列近场辐射导热系数

3．3．2 壳核结构纳米线阵列近场辐射传热系数

3．4 本章小结

第4章 壳核结构颗粒群的消光效应

4．1 颗粒辐射的散射与吸收理论介绍

4．1．1 Mie散射理论

4．1．2 射线追踪的蒙特卡洛方法

4．1．3 Rayleigh散射方法

4．2 壳核结构纳米颗粒群消光效应

4．2．1 吸收效率

4．2．2．消光效应

4．3 壳核结构纳米颗粒群平均辐射热导率

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作