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球形纳米粒子与半无限大介质的近场辐射换热研究

作　者: 江乐
导　师: 谈和平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 微纳米尺度辐射换热 偶极子近似 涨落-耗散理论 倏逝波 近场
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


近年来,随着纳米技术的发展,出现了许多有关微纳米尺度辐射换热的问题。当物体尺寸与热平均自由程或热辐射波长相当时,微纳米结构的设计需要对涉及辐射换热的物理现象进行深入的研究。然而,对于有关的物理机制目前还缺乏足够的认识。例如,在所有的近场显微镜(扫描隧道显微镜和分子力显微镜)或扫描热显微镜中,都包含两半无限大物体或探针与基底平面之间的辐射换热,对其进行计算分析依然是一个颇具挑战性的问题。因此,无论是对理论研究还是对实际应用来说,理解并预测两个间距在微纳米数量级的物体间的热交换,都是一个重要的研究方向。本文研究了间距为纳米数量级的两球形纳米粒子间以及一纳米粒子与半无限大介质间的辐射换热。其中粒子可以是分子、粉尘颗粒或者显微镜探针的简化模型。使用电磁场理论,利用偶极子近似处理纳米粒子,来推导它们之间的辐射换热量。使用格林函数将材料中的电流与电偶极矩与界面上的场关联起来,这样就可以使用涨落-耗散理论来计算所需要的物理量。论文同时推导了单位频率下和全频率下的辐射换热量。对于两个纳米粒子,计算了两者之间的净辐射换热量。其空间相关性是以1/ d~6的形式表示出来的。这种空间相关性是典型的感应偶极子间的相互作用。两粒子间的辐射能量传递还取决于各个粒子的极化率的虚部。同时,辐射换热只在与材料相关的特定的频率下发生。对于纳米粒子与半无限大介质,分别计算了介质对粒子和粒子对介质的辐射。介质对粒子的辐射随频率的变化曲线有明显的峰值,它们与材料以及材料表面的倏逝波有关;近场下的辐射换热量要比远场的大好几个数量级。粒子对介质的辐射,论文计算的是全频率下介质中某处单位体积介质所耗散的粒子辐射;其与粒子和介质中该处的距离的六次方成反比。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章 绪论  9-16
  1.1 课题研究背景与意义  9-11
  1.2 国外研究进展及现状  11-14
    1.2.1 微纳米尺度辐射换热中的倏逝波和空间相关性研究  11-12
    1.2.2 微纳米尺度辐射换热的单色性研究  12
    1.2.3 球形纳米粒子的偶极子近似  12-13
    1.2.4 微纳米尺度辐射换热的能量传递方式研究  13
    1.2.5 微纳米尺度辐射换热的实验研究  13-14
  1.3 国内研究进展及现状  14-15
  1.4 主要研究内容及课题来源  15-16
第二章 微纳米尺度辐射换热的基本理论与研究方法  16-34
  2.1 电磁场理论  17-22
    2.1.1 麦克斯韦方程组和本构方程  17-18
    2.1.2 耗散功率、能量密度和坡印亭矢量  18-19
    2.1.3 矢势和标势，达朗伯方程，推迟势和推迟效应  19-20
    2.1.4 电偶极辐射  20-22
  2.2 表面电磁波  22-28
    2.2.1 表面极化  23-26
    2.2.2 色散关系  26-28
  2.3 涨落－耗散理论与格林函数  28-32
    2.3.1 狄拉克函数  28-29
    2.3.2 解析信号  29
    2.3.3 涨落－耗散理论  29-31
    2.3.4 格林函数  31-32
  2.4 本章小结  32-34
第三章 球形纳米粒子间的近场辐射换热研究  34-47
  3.1 单个球形纳米粒子的热辐射  34-37
  3.2 两球形纳米粒子间的辐射换热  37-41
  3.3 结果与分析  41-46
  3.4 本章小结  46-47
第四章 球形纳米粒子与半无限大介质间的近场辐射换热研究  47-64
  4.1 真空-介质系统电场强度数量积的系综平均的计算  48-52
  4.2 介质对粒子的近场辐射  52-60
    4.2.1 理论推导  52-54
    4.2.2 结果与分析  54-60
  4.3 粒子对介质的近场辐射  60-63
    4.3.1 理论推导  60-61
    4.3.2 结果与分析  61-63
  4.4 本章小结  63-64
第五章 Al 与 SiC 材料的近场辐射换热比较研究  64-79
  5.1 Al 和SiC 材料在纳米粒子间近场辐射换热中的区别  64-67
  5.2 Al 和SiC 材料在介质对粒子的近场辐射中的区别  67-74
  5.3 Al 和SiC 材料在粒子对介质的近场辐射中的区别  74-78
  5.4 本章小结  78-79
结论  79-81
参考文献  81-84
攻读学位期间发表的学术论文  84-86
致谢  86

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 热力工程、热机 > 热力工程理论 > 传热学
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