基于耦合偶极子方法的粒子辐射特性和近场辐射换热研究

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1、国内图书分类号：TK121学校代码：10213国际图书分类号：536.3密级：公开工学博士学位论文基于耦合偶极子方法的粒子辐射特性和近场辐射换热研究博士研究生:董健导师:刘林华教授申请学位:工学博士学科、专业:工程热物理所在单位:能源科学与工程学院答辩日期:2017年12月17日授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK121U.D.C.:536.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYOFRADIATIVEPROP

2、ERTIESANDNEAR-FIELDRADIATIVEHEATTRANSFEROFPARTICLESUSINGCOUPLEDDIPOLEMETHODCandidate：DongJianSupervisor：Prof.LiuLinhuaAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EngineeringofThermophysicsUnit：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence

3、：Dec.17,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要粒子辐射是热辐射研究的重点，在能源利用、生物医学和大气科学等领域应用广泛。粒子系按粒子间距与热辐射波长的关系可分为稀疏粒子系和稠密粒子系。稀疏粒子系中粒子满足独立散射条件，其热辐射传输求解的关键问题是非球形、非均质粒子辐射特性的获取。稠密粒子系的热辐射传输应考虑粒子间波动相干和倏逝波隧穿等近场效应，而经典电磁理论中粒子辐射特性的定义和传统的辐射传递方程均不

4、能考虑近场效应。最新发展的多体辐射换热理论在考虑近场效应的基础上求解粒子间的辐射换热，为研究稠密粒子系的热辐射传输提供了新的方法，但理论本身和稠密粒子系的热辐射传输规律仍有待于发展研究。本文基于耦合偶极子方法对粒子远场、近场辐射存在的问题展开研究，该方法通过格林函数构建体系的耦合方程，便于远场、近场辐射的计算。本文研究了碳黑气溶胶和微藻粒子的辐射特性以及稠密粒子团簇间的辐射换热，并对多体辐射换热理论进行了发展。具体的研究内容如下：大气中的碳黑气溶胶和水体中的微藻粒子是两类典型的稀疏粒子系。碳黑气溶胶

5、表现为碳黑单体团聚物的形式，且常与其它气溶胶发生内混合。碳黑气溶胶在可见光波段的吸收能力强，对全球气候产生重要影响。微藻粒子的辐射特性是光生物反应器辐射传输求解的关键，微藻表面往往长有毛刺状的微结构，而常用的模型中并未考虑这一特征。根据实际的粒子形貌，本文对内混合态碳黑气溶胶和长有毛刺的微藻粒子进行建模，利用离散偶极子近似研究了其辐射特性。研究表明，内混合使得碳黑气溶胶的吸收、散射截面积和单次散射反照率增加，完全覆盖的碳黑吸收能力增加了1.5到2.0倍，且分形维数越大吸收能力的增加越大。基于等效介质

6、理论(EMT)的等体积球和双层球近似均会产生较大误差，但前者优于后者。表面毛刺使得微藻粒子的散射、吸收截面积和不对称因子增加，等体积球会高估其散射截面积、低估其不对称因子。本文引入的基于EMT的双层球模型可很好地近似长有毛刺微藻粒子的吸收、散射截面积和不对称因子。对稠密粒子系，粒子的辐射特性和经典的辐射传递方程不再适用。为研究其中的近场效应，本文通过分形理论建立了团簇模型，利用基于耦合电偶极子的多体辐射换热理论研究了两个SiC纳米粒子团簇间的近场辐射换热。研究表明，SiC纳米粒子团簇的近场辐射换热要

7、高出远场几个数量级，且分形维数越大团簇间的辐射换热量越大，等体积球会高估团簇间的辐射换热。团簇中粒子的多体作用会-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文抑制团簇整体的辐射换热。金属纳米粒子由涡旋电流产生的磁偶极矩的作用不可忽略。针对现有多体辐射换热理论未考虑磁偶极矩以及电磁相互作用的问题，本文发展了计算多体辐射换热的耦合电磁偶极子方法，该方法适用于包含大量金属、非金属纳米粒子体系的辐射换热。研究表明，随着粒子空间位置、材质的变化，电、磁偶极矩的作用和两者的交叉作用均可主导粒子间的辐射换热，对包含金属纳米

8、粒子的体系，仅考虑电偶极矩的作用会产生很大误差。粒子系存在耦合共振时，粒子间近场辐射换热和局部能量密度均会显著增加，其中表面等离激元和表面声子共振可发生耦合作用增强粒子系的辐射换热和能量密度。近场辐射换热的增强源于倏逝波隧穿效应。倏逝波在垂直物体表面方向呈指数衰减，使得近场辐射能量的传输限于亚波长范围内，而实际应用中希望近场能量能在更大范围内传输。本文从理论上证明了传播表面波可实现近场能量的长距离传输。本文首先基于耦合偶极子方法发展了近表面处的多体辐射换热理论。在此基