耦合BRDF壁面多维梯度折射率介质内辐射传递研究

发布时间：2020-08-08 18:28

【摘要】：辐射传热是自然界中重要的传热方式,在日常生活、工业生产、国防科技中都有广泛的应用。以前的研究大都为了便于计算,将实际物体表面假设成漫反射或镜反射表面,但这样处理不能准确地模拟实际工况。双向反射分布函数(BRDF)能够准确地表征实际物体壁面的反射特性,从而耦合BRDF壁面的辐射计算能够使辐射传热分析更加准确,也更具实际意义。本文的主要工作如下:一维梯度折射率介质耦合BRDF壁面的辐射传递计算不能准确地描述BRDF壁面对多维梯度折射率介质内辐射传递的影响。因此,本文采用Minnaert模型模拟BRDF壁面,并在一维介质的基础上利用DRESOR法求解耦合BRDF壁面二维矩形介质内的辐射传递问题。计算结果与文献数据进行比对,验证了DRESOR法的正确性。同时,探讨了不同的BRDF壁面对二维矩形系统内辐射传递的影响,也分析了不同的光学厚度、散射反照率条件下BRDF壁面对系统内辐射传递影响的变化。结果表明,BRDF壁面的反射特性越偏离漫反射特性,BRDF壁面造成辐射热流和强度的偏差越大。而光学厚度和散射反照率的增加都能降低BRDF壁面条件产生的热流偏差,从而证明介质的吸收作用和散射作用可以削弱壁面条件对系统内辐射传递的影响。本文还研究了BRDF壁面对圆柱介质内辐射传递的影响。圆柱坐标系可以更好地描述圆柱边界,在此基础上考虑壁面的辐射特性可以使圆柱介质内的辐射传递分析更加精确。因此,本文在圆柱坐标系的基础上分析了BRDF壁面对二维圆柱梯度折射率介质内辐射传递的影响。文中采用了Minnaert模型和Torrance-Sparrow模型模拟不同类型的BRDF壁面,其中Torrance-Sparrow模型模拟的BRDF壁面(T-S壁面)包含镜反射和漫反射分量,从而使该研究更具有实际意义。接着采用更为精确的对比基准,分析了不同类型的BRDF壁面对径向辐射热流和壁面辐射强度分布的影响。结果表明,随着BRDF壁面和漫反射壁面反射特性差别的增大,辐射热流和辐射强度分布的差别明显增大,BRDF壁面造成的热流偏差高达19.94%,而辐射强度分布随壁面条件呈规律性变化。此外,本文还详细讨论了T-S壁面中镜反射分量与漫反射分量对辐射强度分布的影响,发现在大角度反射区间内,镜反射分量占主导作用。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：

辐射传递,辐射传递方程

面的表面辐射、介质的容积辐射，其中系统的几何结构、壁面的反射特性、介质的散射特性以及折射率分布等都使辐射传递方程的求解变得更加复杂。经过国内外研究学者的不断努力，很多精确求解辐射传递方程的方法被提出，具体如图1-1所示。图1-1 求解辐射传递的方法分类

示意图,模型,示意图,能量

r代表空间介质单元， ( ', , )sd w wR r r s代表从壁面单元 'wr 发射的能量wr 反射到以 s 为中心方向的单位立体角的能量份额。 ( '', , )sd wR r r s代表从介射的能量被壁面单元wr 反射到以 s 为中心方向的单位立体角的能量份 ', )r s代表从壁面单元 'wr 发射的能量被介质单元 r '散射到以 s 为中心方向角的能量份额。 ( '', ', )sdR r r s代表从介质单元 r ''发射的能量被介质单元 r '散中心方向的单位立体角的能量份额。关于 DRESOR 数的计算可参考文献[5说明。DF 模型的介绍

模型图,壁面,二维,模型

F 壁面二维矩形介质模型耦合 BRDF 壁面的二维矩形梯度折射率介质模型。如图 3同类型的 BRDF 壁面。与一维介质耦合 BRDF 壁面辐射模了四个 BRDF 壁面的相对位置，所以在计算过程中需要进时二维系统需要考虑壁面的长度，本文将每个壁面划分为反射分布都符合 Minnaert 模型中的 BRDF 分布。这里，将向划分呈 Nx Ny分布。每个空间介质网格在 4 空间里的在 2 半球空间里离散 M/2 个方向，方向离散的具体方法壁面的温度分别为w1T 、w2T 、w3T 、w4T ，空间介质的温度为散射反照率为。

【参考文献】