本文關鍵詞：參與性介質(zhì)熱輻射傳輸?shù)淖匀辉獢?shù)值研究

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【摘要】：輻射光束在半透明參與性介質(zhì)中的傳遞過程由輻射傳遞方程描述。在不同的應用場合,輻射傳遞方程形式不同,具體包括穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)標量輻射傳遞方程以及穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)矢量輻射傳遞方程。目前發(fā)展了許多基于輻射傳遞方程離散的輻射換熱數(shù)值求解方法,不同的方法各有其特點及適用場合。許多學者一直致力于探索一個計算精度高、求解速度快,能方便的與流體流動、燃燒反應等物理現(xiàn)象的模擬方便融合的輻射換熱計算方法。自然單元法是基于自然鄰近插值的無網(wǎng)格法,不依賴于網(wǎng)格,自然鄰近插值計算得到的形函數(shù)滿足插值性質(zhì),可以直接施加本質(zhì)邊界條件。因此自然元法兼具有限元法和無網(wǎng)格法的優(yōu)點,又克服了兩者的不足,是一種發(fā)展前景廣闊的偏微分方程的數(shù)值求解方法。本文將自然元法應用于熱輻射傳輸?shù)臄?shù)值模擬,建立了穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)標量輻射傳遞方程,穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)矢量輻射傳遞方程的自然元數(shù)值求解模型,對多維非均勻半透明介質(zhì)內(nèi)標量輻射傳輸、矢量輻射傳輸開展了系統(tǒng)深入的研究。自然元法基于自然鄰近插值近似函數(shù)空間,自然鄰近插值包括兩類：Sibson插值和Laplace插值。本文采用自然鄰近插值近似輻射強度場,分段常數(shù)積分格式離散立體角空間,伽遼金或最小二乘加權余量法離散輻射傳遞方程,建立了多維輻射傳遞方程的自然元求解方案。研究了自然元法的數(shù)值穩(wěn)定性,數(shù)值實驗表明,相較于伽遼金自然元法,最小二乘自然元法具有更強的數(shù)值穩(wěn)定性。引入分離計算的思想,將輻射強度分為“壁面發(fā)射”和“介質(zhì)漫射”兩部分求解,有效的消除了壁面熱負荷不均勻引起的輻射傳遞“射線效應”開展了二維折射率多層半透明介質(zhì)內(nèi)純輻射換熱的自然元數(shù)值研究。研究發(fā)現(xiàn),由于界面兩側折射率不同,界面處的投射輻射力不連續(xù)。建立了漫反射半透明和漫反射不透明表面非線性傳熱邊界條件的自然元離散模型,對二維復雜幾何形狀參與性介質(zhì)內(nèi)輻射-導熱耦合換熱開展研究。研究發(fā)現(xiàn),兩種界面特性下,溫度場差異顯著,在漫反射半透明界面條件下,由于環(huán)境輻射透射作用,靠近邊界附近區(qū)域將出現(xiàn)溫度峰值或谷值。將自然元法拓展應用于三維參與性介質(zhì)內(nèi)輻射換熱的數(shù)值求解。自然元法計算結果與文獻數(shù)據(jù)吻合很好,可以有效的應用于三維復雜形狀參與性介質(zhì)內(nèi)熱輻射傳輸?shù)臄?shù)值求解。建立了脈沖激光作用下,非均勻參與性介質(zhì)內(nèi)瞬態(tài)輻射傳輸?shù)淖匀辉獢?shù)值求解方案。給出了漫射光輻射強度Fresnel界面關系式,發(fā)展了瞬態(tài)過程平行光輻射強度分布的數(shù)值求解方案,實現(xiàn)了具有Fresnel界面多層折射率介質(zhì)內(nèi)瞬態(tài)輻射傳輸?shù)母咝А⒏呔葦?shù)值求解。在此基礎上,對一維兩層折射率介質(zhì)內(nèi)瞬態(tài)輻射傳遞開展研究。研究發(fā)現(xiàn)：由于界面對平行光的反射作用,反射信號出現(xiàn)周期性階躍增強。研究了脈沖激光平行、漫射輻照下,二維均勻折射率介質(zhì)內(nèi)瞬態(tài)輻射傳遞。對脈沖激光漫射輻照下,二維梯度折射率介質(zhì)內(nèi)的瞬態(tài)輻射傳遞開展研究。研究發(fā)現(xiàn)：折射率的單調(diào)特性對時域反射信號影響顯著。建立了多維非均勻介質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)矢量輻射傳輸?shù)淖匀辉蠼饽Ｐ�。求解了不同粒子散射特性條件下一維均勻介質(zhì)內(nèi)矢量輻射傳輸問題。自然元法計算結果與文獻數(shù)據(jù)吻合很好,可以有效的應用于求解不同散射條件下的矢量輻射傳遞問題。給出了漫射光Stokes矢量Fresnel界面線性插值格式,發(fā)展了任意多層折射率介質(zhì)內(nèi)平行光Stokes矢量分布的數(shù)值求解策略,實現(xiàn)了具有Fresnel界面的多層折射率介質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)矢量輻射傳遞問題的準確、高效自然元數(shù)值求解。在任意多層折射率模型基礎上,通過設置層數(shù)足夠多逼近梯度折射率介質(zhì),對梯射折射率介質(zhì)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)矢量輻射傳輸過程開展研究。研究發(fā)現(xiàn),折射率分布的單調(diào)性對Stokes矢量分布特征影響顯著。進一步將自然元法拓展應用于二維散射性介質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)矢量輻射傳遞的數(shù)值求解,對不同粒徑下乳膠球懸濁水溶液的矢量輻射傳輸開展研究。建立了脈沖激光輻照下,非均勻介質(zhì)內(nèi)矢量輻射傳輸?shù)淖匀辉獢?shù)值求解模型。通過對Mie散射介質(zhì)內(nèi)瞬態(tài)矢量輻射傳輸進行數(shù)值計算,并與文獻蒙特卡洛法結果對比,驗證了模型可靠性。在此基礎上,對矩形脈沖激光作用下,Rayleigh散射、Mie散射、氣溶膠粒子散射大氣以及“大氣一海洋”瞬態(tài)矢量輻射傳輸開展研究,并對時域透反射信號、偏振特性的時變特性進行分析。研究發(fā)現(xiàn),不同散射條件下,時域透反射信號差異較大。研究了二維矩形介質(zhì)內(nèi)的瞬態(tài)矢量輻射傳遞問題,分析了時域透反射Stokes矢量信號以及邊界處Stoke矢量熱流密度隨時間變化規(guī)律。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK124
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本文編號：1224697