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随着人类的发展,社会的进步,能源的战略地位越来越高。如今,虽然技术成熟、使用广泛,但是煤炭、石油、天然气等常规能源越来越少,能源危机越发严重。对新能源的开发研究与利用,已是当务之急。因此,加强对太阳能的开发与利用,对社会的可持续发展具有十分重要的意义。 太阳能集热器是太阳能热利用中的的核心部件,而太阳能集热器表面的光谱选择性吸收涂层则是决定光热转化的关键。在调研文献后发现,太阳能光谱选择性吸收涂层的传热性能至关重要,直接影响着太阳能集热器的光热转化效率,但有关传热方面内容却少有文献报道。研究发现,影响选择性吸收涂层的主要因素有界面热阻、颗粒形状和孔隙等,这些因素直接影响着材料的等效导热系数。但是现有模型尚不能很好地将这些问题都考虑全面,这对选择性吸收涂层的开发与应用产生了制约。 本文针对以上问题,分析了薄膜的传热机理,根据积分平均法和热阻串并联模型结合,考虑了界面热阻的影响,对不同形状的颗粒及气孔弥散型复合材料的等效导热系数进行了推导计算。具体思路是:先利用比等效热阻法将复合材料分解成一个小的计算单元体,再通过热阻串并联的思想引入界面热阻,然后通过两步法引入气孔对复合材料的影响,最后通过数学推导得出形状因子。最终成功推导出基于形状因子并考虑界面热阻及孔隙影响的复合材料等效导热系数通用表达式。相关计算值和实验数据吻合良好,证明了公式的正确性。 在此基础上,本文讨论了填充相体积分数、孔隙、界面热阻和填充颗粒形状对复合材料等效导热系数的影响。最终发现:在颗粒增强型的复合材料中,复合材料的有效导热系数随着填充颗粒的体积分数增大而增大,随着填充颗粒粒径的增大而增大,髓着界面热阻韵增大而减小,随着气孔率的增加而减小,随着填充颗粒的形状因子增大而增大。 针对现有实验值较少,不能完全体现本文模型普适性和正确性的问题,本文还利用有限元模拟的方法模拟了复合材料的导热系数,通过和本文理论模型计算值作对比,进一步验证了公式的正确性。在模拟过程中制作了热流密度图,揭示了热流在材料内流动的微观过程。同时还模拟了不能在理论公式中体现出来的影响因素,如颗粒不规则分布对材料导热系数的影响等等。 本文工作解决了现有导热模型中的一些问题,对太阳能选择性吸收涂层进一步研发和应用提供了支持。