稠密非比尔颗粒系辐射换热的等效连续介质理论模型
颗粒介质在自然界及能源、动力、化工等工业过程中广泛存在，其中很多应用在高温环境下进行，此时，辐射传热成为主要传热过程。传统上，颗粒介质作为一种典型的参与性介质，其中辐射换热的分析以经典辐射传递方程为基础理论框架，然而，经典辐射传递方程的导出对参与性介质的特性作了多项假设，如要求颗粒呈随机分布、各颗粒的吸收散射独立、任意两个颗粒相距足够远（每个颗粒在其它颗粒的远场区）及光在介质中的衰减满足比尔定律等。这些假设使得经典辐射传递方程一般仅适用于稀疏颗粒系辐射换热的分析，而对于工程应用中大量存在的稠密颗粒介质，由于颗粒位置相关性及严重的相互遮挡，比尔定律可能不成立，从而导致在将颗粒介质进行连续化处理时经典辐射传输理论不适用于稠密颗粒系统辐射换热的分析。目前，稠密颗粒系统中比尔定律适用性的判定条件还不明确，亟需建立一个适用于比尔定律不成立条件下稠密颗粒系统中辐射换热分析的等效连续介质理论模型。 本文围绕稠密颗粒系中比尔定律适用性的判定条件及稠密非比尔颗粒系中辐射换热的等效连续介质理论模型开展研究，通过理论推导和数值模拟相结合的方法，量化了比尔定律适用性条件，建立了稠密非比尔颗粒系辐射换热的一种等效连续介质理论模型，主要内容包含： 比尔定律是经典辐射传输理论的基础，针对稠密颗粒系中比尔定律适用性判定条件的问题，发展了一种定量评估颗粒系中比尔定律适用性的分析方法，并得到了颗粒系比尔定律适用性的判定条件。采用颗粒移动法生成了具有不同结构随机性的颗粒系统，提出检查盒法对颗粒系统的结构随机性进行定量表征，基于随机检查盒中颗粒体积的标准差定义了结构随机性指标（SRI），并基于统计学中的决定系数概念定义了比尔定律有效性指标（BVI）。分析表明，在各向同性且均匀的稠密颗粒系中存在非比尔现象，结构随机性是颗粒系内比尔定律是否成立的关键因素，对一般颗粒系统，当结构随机性指标SRI＞0.6时，比尔定律有效性指标BVI＞0.99，可认为比尔定律成立。 针对稠密非比尔颗粒系中经典辐射传递方程不适用的问题，从颗粒尺度的热平衡方程出发经严格推导，建立了一种可适用于稠密非比尔颗粒系中辐射换热的等效连续介质理论模型。基于颗粒尺度热平衡方程，通过将辐射分布因子扩展到连续尺度，引出辐射分布函数概念，导出了一种积分形式的可适用于稠密非比尔颗粒系的连续介质尺度控制方程，其以辐射分布函数及体积发射率为基本输入辐射物性参数。给出了该积分形式控制方程的数值离散方法，以及由辐射分布因子获取辐射分布函数的不同处理策略。通过与颗粒尺度的温度场模拟结果进行对比，验证了所发展等效连续介质理论模型的准确性。 基于将辐射分布因子拓展到连续介质尺度而定义的辐射分布函数，为所建立的颗粒系辐射换热等效连续介质理论模型的基本辐射物性参数，其空间分布规律尚不明晰。针对该问题，在前期提出的由平方反比律项和指数衰减项共同构成的辐射分布函数分布规律的基础上，进一步考虑体系中颗粒间多重散射效应及颗粒系结构随机性影响，给出了颗粒间辐射分布函数改进型解析关系式，并将其推广到颗粒与壁面间辐射换热，得到了颗粒与壁面间辐射分布函数的解析关系式。与直接模拟结果相对比，结果表明所给出的颗粒间及颗粒与壁面间辐射分布函数关系式均能很好地描述相应的辐射分布函数空间分布特性。 基于辐射等效导热系数的方法是一种稠密颗粒系内辐射换热等效连续介质处理的经验性方法，此时颗粒系辐射等效导热系数为其基本辐射物性参数，考虑颗粒非等温条件下颗粒系辐射等效导热系数的计算方法还不完善。针对该问题，提出了一种基于辐射分布因子获得颗粒非等温条件下颗粒系辐射等效导热系数的理论模型。经推导将辐射分布因子分成零阶和一阶分量，前者对应于传统分布因子，而后者考虑颗粒非等温性影响。分析了固体极高和极低导热系数两种理想条件，分别对应等温颗粒（辐射毕渥数＜＜1）和非等温颗粒（辐射毕渥数＞＞1）系统，发现在颗粒填充率和表面发射率很高的情况下，颗粒等温条件和非等温条件下颗粒系辐射等效导热系数差异显著。 当稠密颗粒系中颗粒间距减小到与热特征波长相当或更小时，近场光子隧穿及多体作用对传热影响明显，前文建立的等效连续介质理论模型是否可拓展到近场体系存疑。为加深稠密微纳粒子系近场辐射换热特性的认识，基于耦合电磁偶极子近场辐射换热理论分析了多体作用对纳米颗粒间近场辐射换热的影响。进一步，基于近场辐射换热理论给出了中心颗粒的近场总辐射能，将辐射分布函数概念推广到用于微纳颗粒系近场辐射换热的表征，从而将基于辐射分布函数的稠密颗粒系辐射换热等效连续介质理论模型拓展到了近场颗粒系，并通过与颗粒尺度温度场模拟结果及文献结果进行了对比验证。
辐射换热;稠密颗粒介质;等效连续介质理论模型;非比尔介质;近场热辐射
哈尔滨工业大学
博士
工程热物理
赵军明
2023
中文
TK123
2023-11-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）