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相变过程中的高温粒子辐射特性

作　者: 李佳玉
导　师: 谈和平；董士奎
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 辐射特性相变过程等效光学常数尾喷焰高温氧化铝粒子
分类号: O414.13
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

相变过程中高温粒子的热辐射行为是目标探测与识别、火焰温度测量、森林火灾遥感和监控、等离子喷涂等很多工程技术中所面临的问题。外界辐照条件下粒子的相变行为,燃料液滴燃烧过程中对热辐射的吸收和散射,相变过程中粒子内部的辐射吸收等都是目前很多研究者所关心的问题。本文主要以固体燃料发动机尾喷焰中的氧化铝粒子（ Al₂O₃）为例,分析不同相态粒子辐射特性和相变动力学过程,建立高温条件下粒子相变辐射模型。主要研究内容包括以下五个方面。（1）以尾喷焰中氧化铝粒子凝固过程中最易出现的三种相态（液态、γ相、α相）为研究对象,分析氧化铝粒子分别处于以上三种相态的光学常数及辐射特性。在紫外到近红外光谱范围内,考虑了氧化铝粒子的不同辐射机制,分析了其光学常数随相态的变化关系,以氧化铝粒子不同相态吸收指数模型的计算结果为基础,建立了描述不同相态的等温氧化铝粒子辐射特性的数学模型,发现由此计算出的不同相态氧化铝粒子光谱辐射强度的数值与实验值接近。（2）基于有效介质理论,建立掺有炭黑杂质的氧化铝粒子等效光学常数模型,考虑了粒子在熔点附近相态的变化。分析和比较了采用Maxwell-Garnett混合规则、Bruggeman混合规则、包覆层粒子球等效光学常数模型和复折射率体积平均这四种混合规则所计算的含炭黑杂质的氧化铝粒子等效光学常数数值,同时研究了四种混合规则的计算结果随波长的变化关系。考查了炭黑杂质的含量和炭黑在氧化铝粒子内的混合形态对整个粒子辐射特性的影响。通过计算发现炭黑杂质是尾喷焰中氧化铝粒子的吸收指数在熔点附近不连续性减小的原因之一。（3）熔融态氧化铝粒子凝固过程中动态辐射特性建模。首先,根据熔融氧化铝粒子凝固过程中的动力学方程,推导出了粒子凝固过程中各相态体积份额随时间的变化关系。其次,分别采用介电常数的体积平均、复折射率的体积平均、Bruggeman混合规则以及Maxwell-Garnett混合规则来表征氧化铝粒子相变过程中的等效光学常数的动态演变规律,发现采用以上四种混合规则计算的结果都比较接近。再次,根据熔融氧化铝粒子由液态到固态转变过程中可能出现的两种凝固方式:逐层凝固和容积凝固,分别建立了多层粒子球动态辐射模型和“等效介质”粒子球动态辐射模型。最后采用这两类模型计算氧化铝粒子相变过程中的动态光谱辐射特性,发现两种模型的计算结果都与实验数值呈现类似的变化趋势,而与实验过程比较接近的“等效介质”粒子球模型计算结果与实验结果符合较好。（4）径向非等温多种相态分层共存的氧化铝粒子内部和外表面热辐射特性的电磁理论研究。通过内部电磁场系数ci n和d in的反向递推公式求得多层同心球粒子内部各层电磁场系数a_in, b_in, c_in和d_in的数值,由此计算出的粒子内部吸收因子径向分布与Mackowski D.W.的计算结果非常接近。以液态、γ和α三相共存的氧化铝粒子和含炭黑的γ和α相共存氧化铝粒子为对象,分别采用多层同心球电磁理论模型与等效介质球Mie氏理论模型计算其吸收、衰减因子,发现只有当多层同心球粒子内各组份所在层的厚度比波长小很多时,有效介质理论对这种多层同心球的结构才适用。还采用多层同心球电磁理论模型对单相态和多相态共存的氧化铝粒子内部以及表面的辐射特性进行了计算和分析,考虑了粒子内部相态含量、各相态的排列顺序和径向温度梯度的影响。（5）考虑氧化铝粒子相变过程及粒子中的炭黑杂质对高温粒子流光辐射特性研究。采用反向蒙特卡罗法计算轴对称高温氧化铝粒子流在轴线正侧向辐射强度分布,以粒子的等效光学常数为基础,考察氧化铝粒子相变过程以及粒子中炭黑杂质对粒子流场轴线上辐射特性的影响。模拟结果发现:高温氧化铝粒子中的炭黑对粒子流辐射特性的影响显著,相变过程中的多相共存状态对粒子流的光谱辐射强度的影响在紫外短波处不可忽略。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-19
第1章绪论  19-30
  1.1 研究目的和意义  19-22
  1.2 球形粒子内部与外部辐射特性的研究进展  22-24
    1.2.1 基于经典电磁波理论的球形粒子辐射特性研究现状  22-23
    1.2.2 基于几何光学方法的球形粒子辐射特性研究现状  23-24
  1.3 非均质材料光学常数的研究进展  24-26
  1.4 粒子相变过程中辐射特性的研究进展  26-28
  1.5 本文的主要研究内容  28-30
第2章相变过程中粒子辐射特性计算的理论基础  30-51
  2.1 引言  30
  2.2 单个球形粒子的吸收、散射公式  30-34
  2.3 多层粒子球电磁理论  34-43
    2.3.1 多层同心球内外电磁场及边界条件  35-39
    2.3.2 多层同心球的散射系数  39-40
    2.3.3 多层同心球内部吸收因子  40-43
  2.4 固体的光学常数  43-46
  2.5 有效介质理论在非均质粒子光学常数研究中的应用  46-50
    2.5.1 Maxwell-Garnett混合规则  47-49
    2.5.2 其它混合规则模型  49-50
  2.6 本章小结  50-51
第3章高温非均质粒子光学常数及辐射特性研究  51-72
  3.1 引言  51-52
  3.2 氧化铝粒子光学常数的影响因素  52-53
  3.3 不同相态氧化铝粒子光学常数  53-56
  3.4 不同相态氧化铝粒子辐射特性  56-60
    3.4.1 不同相态氧化铝粒子辐射模型  56-58
    3.4.2 氧化铝粒子光谱辐射强度随温度和波长的变化关系  58-60
  3.5 含炭黑氧化铝粒子的等效光学常数  60-65
  3.6 含炭黑氧化铝粒子的辐射特性  65-70
    3.6.1 炭黑对氧化铝粒子吸收因子的影响  65-69
    3.6.2 炭黑掺杂形态对氧化铝粒子吸收因子的影响  69-70
  3.7 本章小结  70-72
第4章高温氧化铝粒子相变过程中动态辐射特性  72-87
  4.1 引言  72-73
  4.2 氧化铝粒子相变过程结晶动力学描述  73-76
    4.2.1 液态转变为Gamma相过程中的动力学描述  73
    4.2.2 Gamma相到Alpha相转变过程中的动力学描述  73-74
    4.2.3 相态转变过程中各相态体积份额表达式  74-76
  4.3 氧化铝粒子相变过程等效光学常数变化规律  76-80
  4.4 氧化铝粒子相变过程表观光谱辐射强度动态演变特性  80-86
    4.4.1 多层粒子球模型  81-82
    4.4.2 “等效介质”粒子球模型  82-83
    4.4.3 计算结果及分析  83-86
  4.5 本章小结  86-87
第5章径向非等温多相共存粒子热辐射特性  87-119
  5.1 引言  87
  5.2 多相共存球形粒子热辐射模型  87-93
    5.2.1 多层同心球径向吸收因子计算  87-89
    5.2.2 径向非等温多层同心球热辐射模型  89-90
    5.2.3 计算结果及验证  90-93
  5.3 多层同心球电磁理论模型与等效介质球Mie氏理论模型的比较  93-100
  5.4 均温球形氧化铝粒子热辐射特性  100-108
    5.4.1 单相态及多相共存氧化铝粒子内部吸收因子的径向分布  101-102
    5.4.2 各相态含量对多相共存氧化铝粒子热辐射特性的影响  102-103
    5.4.3 各相态排列方式对多相共存氧化铝粒子热辐射特性的影响  103-108
  5.5 径向非等温球形氧化铝粒子热辐射特性  108-117
    5.5.1 径向温度梯度对单相态氧化铝粒子热辐射特性的影响  109-112
    5.5.2 径向温度梯度对多相共存氧化铝粒子热辐射特性的影响  112-117
  5.6 本章小结  117-119
第6章相态及炭黑杂质对氧化铝粒子流辐射特性的影响  119-126
  6.1 引言  119-120
  6.2 轴对称粒子流场辐射特性计算  120-121
  6.3 氧化铝粒子相态对粒子流辐射特性的影响  121-124
  6.4 炭黑杂质对氧化铝粒子自由流辐射特性的影响  124-125
  6.5 本章小节  125-126
结论  126-129
参考文献  129-139
附录各相态氧化铝粒子吸收指数计算模型中的参数  139-140
攻读博士学位期间发表的学术论文  140-143
致谢  143-144
个人简历  144

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