【摘 要】
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经典的宏观辐射传递理论建立在几何光学基础上,并忽略光的干涉效应。在微尺度辐射换热领域,即两个物体间的距离远小于热辐射的特征波长时,波的干涉效应以及光子隧穿效应在该尺度
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经典的宏观辐射传递理论建立在几何光学基础上,并忽略光的干涉效应。在微尺度辐射换热领域,即两个物体间的距离远小于热辐射的特征波长时,波的干涉效应以及光子隧穿效应在该尺度下作用尤其显著。现有研究表明,当两个辐射源之间距离从常规尺度减小到纳米量级时,辐射换热量会比Stefan-Boltzmann公式的计算结果大5到6个量级。所以近场辐射在强化换热及传感器等工程领域中有重要发展前景。 平行平板系统是研究近场辐射换热特性的典型模型之一。虽然目前已有大量的近场辐射换热文献,但是只考虑间隙为真空时的研究,显然不能满足工程应用中间隙有气体存在时的需求。而且随着尺度参数的减小,气体导热系数也会发生变化。所以有必要对近场辐射和导热耦合换热进行研究。近场辐射热流的计算是对整个波矢空间的积分,计算量大,尤其是计算近场辐射与导热耦合时。所以本文以平行平板系统为研究对象,建立近场辐射与导热耦合的一维和二维结构模型来分析耦合场的传热特性;引入辐射换热系数来减小计算量。从涨落耗散理论出发,结合麦克斯韦方程组与并矢格林函数,选取碳化硅、银和铝及二氧化硅等几种介电函数不同的材料,编程计算并研究近场辐射与导热耦合的传热特性。 得到了随平板温度和间距变化的辐射热流密度拟合多项式,可直接在工程计算中应用;引入了与平均温度有关的辐射换热系数,很大程度上减小了耦合换热计算时间;分析了平板厚度和空气导热系数对耦合场的影响。研究表明:随着平板厚度的增加,一维模型的等效导热系数逐渐接近平板的导热系数;随着空气导热系数的减小,耦合模型的净热流先减小后不变;而对于辐射热流,基本不会随着空气导热系数的变化而变化;间隙层数增加时,模型的等效导热系数基本不会变化。
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