再生核粒子法在辐射传输无网格计算中的应用

基于光滑粒子动力学(SPH)方法发展起来的再生核粒子法(RKPM)是一种拉格朗日型无网格方法。该方法在处理复杂形体内流动、导热、相变、应力应变等多物理场耦合问题时获得了较广泛的应用,但在辐射传输中的适用性尚无研究。而高温半透明材料的相变过程,除以上多物理过程外还需要考虑辐射传输过程的影响。本文基于建立高温半透明颗粒相变过程光热力耦合过程统一的无网格模拟方法的目的,重点研究了RKPM模拟辐射传输的可行性问题。文中首先建立了辐射强度的RKPM拟合公式,然后建立了辐射传输方程的直接配点离散格式。计算了一维参与性灰介质的无量纲热流和无因次温度分布。通过和文献值对比,初步验证了RKPM能够模拟辐射传输方程,且具有较好的计算精度。     

光学物性对含石蜡玻璃窗动态光热特性的影响

考虑太阳能在半透明材料中辐射传输、石蜡材料相变传热特点,建立了含石蜡玻璃窗的一维导热、相变和辐射耦合光热传输模型,研究了固态石蜡材料光学物性对含此类相变材料玻璃窗动态光热特性的影响。研究结果显示,固态石蜡的折射率和吸收系数对其内表面温度、总透射能和太阳得热量都有影响;相比而言,吸收系数的影响更大;随着固态石蜡吸收系数的增加,玻璃窗内表而的总透射能和太阳得热量先增加后减小趋势。     

半透明介质相变中的辐射变物性问题

半透明介质相变传热在许多工程领域引起关注,其实质是变物性条件下伴随相变的辐射-导热瞬态耦合传热问题,其难点在于相变过程中的辐射变物性问题,尤其是折射率的时空演变问题.本文首次研究相变过程中的变折射率问题.假设相变介质存在固相-糊状-液相区,固/糊界面、液/糊界面假定为半透明漫反射.采用多层辐射传递模型模拟相变介质内的辐...     

半透明梯度折射率介质内辐射熵传递方程及其数值模拟

在非相干辐射条件下,基于Planck光谱辐射熵强度定义,导出半透明梯度折射率介质内光谱辐射熵传递方程,以及局部辐射熵产率理论表达式.基于离散坐标法对辐射熵传递方程进行数值求解.以一维半透明梯度介质平板为例,对辐射熵方程及其算法进行验证.平板整体无因次辐射熵产的计算结果与宏观热力学定律的结果一致.     

模拟短脉冲激光在介质中传输的扩散综合有限元法

建立有限元模型,通过求解瞬态辐射传输方程模拟短脉冲激光在半透明介质中的传输.针对散射占优性半透明介质内辐射传输求解效率较差的问题,采用扩散综合加速迭代算法,提高计算效率,缩短计算时间.结果表明:采用精确解析式描述脉冲激光散射源项的求解策略可以获得准确的计算结果,精确地模拟快速变化的波前,不会产生数值扩散和数值振荡.此外,扩散综合迭代算法的计算时间仅为源项迭代的50%~60%.     

强辐照下陶瓷泡沫骨架内的辐射能量传输机理研究

当泡沫材料直接受强光束(如聚集太阳能)照射时,准确描述材料内的热辐射传输过程成为传热模拟的关键。本文数值研究了真实陶瓷泡沫骨架在强辐照下的容积性辐射传输规律。采用离散坐标法求解了半透明氧化铝陶瓷骨架内部的辐射传输,获得了辐射能量的传递、吸收规律。研究表明,辐射在陶瓷骨架内的容积输运本质上表现为散射和吸收两种行为的竞争结果;随着波长的增加,氧化铝半透明骨架吸收的辐射能量逐渐增多。     

半透明随形粒子形貌对近场辐射的影响研究

本文以半透明粒子材料作为研究对象,通过变换粒子表面粗糙度建立了随形粒子近场辐射的传输模型,并引入时域有限差分偶极子法模拟粒子的辐射涨落电流和辐射传热,通过与圆球形粒子的解析解进行对比验证了本方法的正确性,并分析了不同随形粒子间的近场辐射特性.研究结果显示,在谱带1～10 μm范围内,随着粒子表面粗糙度的增大,粒子间辐射...     

球谐函数法求解辐射传输方程的假散射和射线效应

假散射和射线效应是辐射传输方程近似解法中出现的特有误差.从辐射传输方程的近似求解过程出发,在定性分析的基础上构造物理模型,通过数值模拟研究球谐函数法(P₁和P₃近似法)的假散射和射线效应.构造激光平行入射和倾斜入射二维半透明介质的物理模型,通过内部温度场的分布特征研究假散射.构造顶部侧面保持高温而其余侧面保持低温的二维半透明介质方案,通过对比底面边界净热流密度分析射线效应.计算结果表明球谐函数法中同时存在假散射和射线效应,P₃近似比P₁近似减小了射线效应.同时,球谐函数法的射线效应随光学厚度的增加而减小.     

γ辐射对光纤波导电磁场分布的影响

开展了光纤波导中的电磁场传输理论分析,得到了光纤折射率变化对波导中电磁场分布的影响规律,建立了块状融石英材料及光纤光栅在60Co 辐射作用下折射率变化的测量系统,开展了折射率随辐射剂量变化及光纤模场测量实验。结果表明:光纤的折射率随辐射剂量的增加而增大,折射率的变化会引起波导中传输模式的场强分布变化,从而导致光纤的辐射感生波导损耗;在一定的辐射剂量范围（0～2000 Gy）内,光纤仍满足弱导边界条件,能够维持对传输模式的约束能力。     

三维瞬态偏振辐射传输研究

瞬态偏振辐射的探测与分析在距离选通成像、光学遥感等领域有着重要的应用。本文构建了一个三维多层散射性介质模型,并采用蒙特卡洛法研究瞬态偏振辐射在其中的传输规律。推导并总结了偏振辐射在三维空间界面处的反射和折射公式。通过与一维多层半透明模型计算结果进行对比,验证了该模型的正确性,并给出了短脉冲激光在该模型中传输的算例。     

含相变材料玻璃类围护结构传热系数分析

建立太阳辐射加热下含半透明相变材料类玻璃围护结构的一维相变导热和辐射耦合稳态传热模型,采用控制容积法结合布格尔定律,数值求解含相变材料玻璃围护结构内部的能量传递,分析相变材料的辐射物性参数和室内外环境因素对其传热系数的影响.结果表明,计算相变材料类玻璃围护结构传热系数需要考虑其半透明性;传热系数不仅受物性参数和环境因素的影响,还与材料的液相率与透光率等因素有关.     

含负折射率介质的一维光子晶体构成的相干热辐射源的辐射特性及控制(英文)

采用传输矩阵法研究了带缺陷层含负折射率介质的一维光子晶体的热辐射性质和控制.研究发现,此相干热辐射源在很窄的波长范围以及特定的方向上表现出非常尖锐的辐射峰,其品质因子比普通材料辐射源高.辐射峰对入射角度、偏振以及此结构中光子晶体的尺度因子都不敏感.辐射峰的大小,品质因子,位置可以通过调节缺陷层的厚度和折射率来调节,实现了对热辐射的有效控制.     

基于微面斜率法的粗糙表面半透明介质层光谱散射特性分析

对具有一维高斯分布粗糙表面的半透明介质层光谱散射,基于微面斜率法建立了考虑遮蔽效应的粗糙表面光谱辐射传递概率模型,采用蒙特卡罗法模拟光谱辐射能束在粗糙表面、半透明介质层介质与镜反射基底之间的多次反射、折射和吸收等传递过程。通过数值模拟,分析了介质层表面粗糙度、光谱光学厚度、折射率和基底反射率对介质层双向反射分布函数(BRDF)的影响。结果表明,表面粗糙程度不同时,反射峰值随入射角度呈现不同的变化趋势;表面粗糙度增加或折射率增大都将导致漫反射份额增大;介质层光谱光学厚度和基底反射率主要影响BRDF的数值大小,而对BRDF的分布形态影响很小。     

半透明介质中辐射传递方程的反演计算及数值模拟

本文介绍了一侧为半透明、另一侧为非透明界面时一维半透明介质的辐射强度计算式。采用辐射与导热复合换热模型计算半透明介质内温度场。利用已知的温度场求半透明介质的辐射强度一正问题计算。将此辐射强度代入辐射反问题计算模型，引入测量误差，采用Ｃｈａｈｉｎｅ方法及演半透明介质内温度场一反问题计算。数值模拟表明，本文所采用的辐射反演法具有较高的精度及稳定性。     

梯度折射率介质瞬态辐射-导热耦合传热

多维辐射-导热耦合传热问题有广泛的应用背景。本文采用有限元法对辐射传递方程的离散坐标形式进行离散,并采用有限元法求解瞬态辐射-导热耦合能量方程,研究二维方腔半透明参与性梯度折射率介质内瞬态耦合传热,考虑第一类热边界条件,分析了折射率分布、衰减系数、散射反照率及散射相函数对对瞬态耦合传热的影响。结果表明,梯度折射率对瞬态耦合传热影响显著。     

光纤纤芯及包层模有效折射率计算及仿真

光纤结构设计、模间色散求解、光纤光栅模式耦合等问题的研究, 都需要对光纤纤芯及包层模的有效折射率进行精确计算. 本文以光纤三层结构模型为基础, 结合该模型下的模式本征方程, 使用截弦法求解了纤芯模有效折射率, 并将计算结果与COMSOL软件模拟的对应纤芯模的传输光场进行对比, 验证了计算结果正确.使用区间遍历算法对包层模有效折射率进行了求解, 与已有的传统方法相比, 该方法可以有效防止求解过程中根的遗漏、避免特征方程产生的奇点, 并能保证模式的正规性.本文采用Mathematica软件对求解过程进行仿真, 获得了纤芯模和包层模有效折射率与波长关系曲线. 关键词： 光纤传输模式 有效折射率 截弦法 区间遍历算法     

相干散射的非吸收粒子辐射计算搭接

针对非吸收性光学厚纤维材料中光谱辐射传输,考虑高密度粒子分布下粒子间相互干扰对光谱辐射传输计算域搭接过程的影响,建立了光谱辐射整体传输计算的搭接模型。采用时域有限差分(FDTD)计算得到单个非吸收性纤维粒子的辐射性质为基础参数,基于数值仿真分析了2～5μm波长下材料厚度、纤维粒子间隔、排列方式对材料宏观透过率的影响。通过比较不同搭接域的计算结果与真实值的差异,发现非吸收纤维对光谱辐射的反射集中在材料入射面附近区域,并且搭接模型对错序排列的纤维材料适用性更好。     

半透明介质表面红外测温的辐射传输模拟

考虑不透明漫射基底的反射/发射和半透明介质层的吸收/发射,建立半透明介质层表面红外测温过程的辐射传输模型,采用反向蒙特卡罗法进行模拟,获得探测表面在热像仪的指示辐射温度。与不透明表面红外测温进行比较,分析表面形状、基底发射率ε_s及介质层光学厚度τ的影响。结果表明,半透明介质层表面的指示辐射温度在ε_s1.0时,随τ的增大而增大,τ≥2时数值趋于ε_s=1.0时的结果,与不透明表面存在较大差异;针对复杂形状或内凹曲面红外测温,不透明表面和半透明介质层表面均受到反射其他部位辐射现象的影响。     

多维梯度折射率介质内辐射传递的扩散近似

推导多维梯度折射率介质内稳态辐射传递的扩散近似方程.使用有限元法对扩散近似进行离散和求解,利用两个二维半透明介质的稳态辐射传递问题验证该扩散近似的精度及适用性.算例考虑介质为均匀折射率及梯度折射率两种情况.利用扩散近似分别求解辐射平衡时的边界热流、介质内温度场分布,并与辐射传递方程的求解结果进行对比分析.结果表明:介质折射率变化、散射特性、光学厚度及散射反照率均直接影响扩散近似的精度;在光学厚及强散射条件下,该扩散近似可以作为一种快速算法应用于梯度折射率介质稳态辐射传递的求解.     

基于有机聚合物的M-Z波导设计

M-Z光波导是有机聚合物电光调制器的重要结构单元.将有效折射率法与二维差分束传播法相结合,利用有效折射率法计算了聚合物脊形波导的横向折射率分布及有效折射率.由Maxwell方程出发,结合辐射透明边界条件,采用Crank-Nicholson差分格式,得出有限差分束传播法的计算格式.通过对M-Z型波导结构中TM模的传播及损...