典型光学系统表面光谱辐射传输及微尺度效应

论文摘要

表面微结构所具有的独特热辐射特性及其对辐射的调控能力为可再生能源利用、国防和航天领域急需的热辐射光谱和方向控制技术的发展提供了机遇。当结构几何尺度与入射波长相当或较之更小时,宏观尺度下的唯象理论已经无法有效考虑和解决这类热辐射传输问题。本文在研究两类典型光学系统的热辐射传输特性的基础上,从宏观和微观角度分析了影响表面热辐射特性和传输规律的因素,研究结果为热辐射的光谱和方向调控技术提供了理论基础。主要研究内容包括以下五个方面。(1)发展了基于辐射交换因子的反向蒙特卡洛辐射传输模型,分析了边界条件和物性参数对蒙特卡洛辐射传输算法的计算效率的影响。算例比较证实了在仅需要了解空间某一小立体角内或某一个小区域内辐射能量时,反向蒙特卡洛算法的计算效率要远远高于正向蒙特卡洛法。(2)开展了辐射交换因子不确定性分析和伪随机数发生器性能检验,给出了单个计算单元辐射交换因子的估计误差、整个系统的辐射交换因子的平均估计误差的表达式,提出了一种能比较充分验证伪随机数发生器性能的辐射对称性检验方法,可以实现不同层次上无限制的比较发生器的优劣。(3)采用表面特性镜漫处理和多级能量分裂等计算技术,分析了成像光学系统中杂散辐射传输、非成像光学系统中太阳能聚集辐射传输,获得了边界条件、物性参数对辐射传输的影响规律。建立了聚集能束矢量特性的描述模型,提出了基于等热流密度面与多次反射的腔式吸收器的梯级设计方法,设计了一种能流均匀性好、效率高的新型腔式吸收器结构。(4)基于电磁涨落耗散理论和格林函数特性,推导了无限大表面、粒子与平面板间的近场热辐射传输的表达式,考察了极化态、粒径、间距、介电常数对近场热辐射传输的影响规律。采用时域有限差分法分析了具有栅栏结构、沟渠结构的硅基材料的表面辐射特性,获得了温度、入射波长对表面BRDF的影响规律。(5)基于四波长BRDF测试平台,测试了柔性金属镀膜表面和微粗糙硬铝表面的反射特性,考察了波长、粗糙结构对表面辐射特性的影响。改进了一套基于CCD相机间接测量聚集能流密度的装置,实现了不同位置误差的碟式聚能器的焦面辐射热流测量,并对实验数据与数值结果进行了比较分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 宏观尺度下热辐射传输数值方法的研究现状
• 1.2.1 热辐射数值算法的分类
• 1.2.2 表面热辐射数值算法的研究现状
• 1.3 光学系统表面热辐射传输的研究现状
• 1.3.1 空间成像光学系统中杂散辐射
• 1.3.2 非成像光学系统中太阳能聚集辐射特性
• 1.4 微观尺度下热辐射传输研究现状
• 1.4.1 实验方法研究现状
• 1.4.2 理论分析研究现状
• 1.4.3 数值方法研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 表面辐射传输的正/反向蒙特卡洛法
• 2.1 正/反向蒙特卡洛法
• 2.1.1 基本思想
• 2.1.2 辐射交换因子
• 2.1.3 正/反向蒙特卡洛法的区别
• 2.1.4 FMCM和BMCM的算例比较
• 2.2 伪随机数性能的检验
• 2.2.1 区域均匀性检验
• 2.2.2 独立性检验
• 2.2.3 辐射对称性检验
• 2.3 辐射交换因子的不确定性分析
• 2.4 BMCM在介质热辐射中的应用
• 2.4.1 圆柱形结构
• 2.4.2 锥台形结构
• 2.4.3 不规则的旋转结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 成像/非成像光学系统中热辐射传输特性分析
• 3.1 光学系统中辐射传输的求解技术
• 3.1.1 抽样光子数密度与等权光子抽样
• 3.1.2 表面辐射特性镜漫处理技术
• 3.1.3 辐射能量的多级分裂技术
• 3.1.4 衍射直接模拟技术
• 3.2 成像光学系统—空间光学系统中杂散辐射传输特性
• 3.2.1 遮光筒系统算例验证
• 3.2.2 大型敞开式空间光学系统中杂散辐射特性分析
• 3.3 非成像光学系统—太阳能碟式聚集系统的辐射传输特性
• 3.3.1 碟式聚集系统辐射传输的数学模型和算法验证
• 3.3.2 太阳形状的影响
• 3.3.3 反射聚集表面形状误差的影响
• 3.3.4 边缘角的影响
• 3.3.5 位置误差的影响
• 3.4 锥形腔式吸收器辐射特性仿真
• 3.5 太阳能腔式吸收器优化设计
• 3.6 表面系统辐射传输计算中的反射模型分析
• 3.7 本章小结
• 第4章典型表面微结构间热辐射传输特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 微尺度下热辐射传输的电磁场与涨落耗散理论简介
• 4.2.1 麦克斯韦方程组及其本构方程
• 4.2.2 电磁边界条件
• 4.2.3 涨落耗散理论的数学描述
• 4.3 时域有限差分法
• 4.3.1 基本思想
• 4.3.2 PML吸收边界条件
• 4.3.3 近场—远场转换模型
• 4.4 无限大表面的近场热辐射描述
• 4.5 半无限大热平板与冷纳米粒子间辐射换热
• 4.5.1 热辐射传输模型与公式推导
• 4.5.2 热辐射传输特性计算分析
• 4.6 热纳米粒子与半无限大冷平板间辐射换热
• 4.6.1 热辐射传输模型与公式推导
• 4.6.2 热辐射传输特性计算分析
• 4.7 周期性微结构的硅基表面热辐射特性
• 4.8 本章小结
• 第5章 材料表面BRDF 与太阳能聚集能流实验测量
• 5.1 BRDF及其实验测量技术简介
• 5.1.1 BRDF及实验测量方法
• 5.1.2 多光谱BRDF实验测量系统简介
• 5.2 柔性金属镀膜表面BRDF测量与分析
• 5.3 微粗糙硬铝表面的BRDF测量与分析
• 5.4 碟式太阳能聚集系统的辐射能流测量与分析
• 5.4.1 聚集太阳能的辐射能流测量系统
• 5.4.2 焦面辐射热流测量结果与分析
• 5.4.3 测量结果与数值结果的比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 表面辐射特性与温度的变化关系
• 攻读博士学位期间所发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历