半透明材料辐射与相变耦合换热研究

作     者：王大伟 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董士奎

授予年度：2008年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：半透明材料 辐射与相变耦合换热 焓方法 有限体积法 

摘      要：近年来,随着航空航天技术、光电子技术、新能源技术的发展,促使对光学材料、功能材料、相变蓄能材料的需求进一步增加,而许多材料的生成和应用中均涉及到半透明介质高温相变问题。半透明介质高温相变过程涉及到复杂的热物理现象,其温度场和速度场是高温固液相变、辐射换热和对流换热等多种机理共同作用的结果。其中辐射传输是影响温度分布的一个关键因素。在目前,有很多方法研究高温相变、辐射耦合换热问题,例如有限体积法,有限元法,焓方法,熵方法等,这些都是解决相变与辐射耦合换热的有效方法,但在其中焓方法是相对比较好的方法,可简化方程的计算。通过求解焓、温度、相变问题,从而达到对材料形成过程的控制。 本文主要对半透明材料的相变过程中的传热作了分析。针对相变与导热耦合换热情况建立了数学模型,过程中涉及到相变界面位置的变化,应用焓方法,可以不考虑界面的移动,使计算简化。用本文的方法对石蜡的熔化过程进行研究。而对于在相变过程中,存在相变与辐射耦合换热的情况,本文考虑半透明材料非灰特性以及不同相态热物性参数的不同,采用等温模糊区模型的思想,建立了辐射与对流冷却条件下平板型非灰半透明材料凝固过程的分析方法,即采用有限体积法求解基于焓方法的能量方程,采用与谱带模型相结合的有限体积法求解内部非灰辐射热交换项。应用本文的方法数值模拟了氟化钡、二氧化硅(BaF2、SiO2)平板凝固过程中的辐射与相变耦合换热,考察了光学厚度、反照率及换热边界条件等因素对BaF2、SiO2凝固行为的影响。