一维梯度折射率介质内辐射传递问题的DRESOR法研究

摘要

基于梯度折射率介质内辐射传递的现实要求和应用背景，开展梯度折射率介质内辐射传递研究对理清辐射传递过程、探寻梯度折射率介质内辐射传递机理和进行准确辐射传递分析影响深远。辐射传递分析的本质是求解辐射传递方程，关键是得到能束的传递轨迹。在梯度折射率介质中，能束的传递路径遵循Fremat定理，能束将沿弯曲路径传播并且会在介质内部发生全反射，这使得梯度折射率介质内的辐射传递相较均匀折射率介质要复杂得多。随着对梯度折射率介质内辐射传热研究的深入，多种不同方法应运而生，然而，由于光线传递路径的曲线化、问题的复杂化、求解结果要求的精确化以及求解过程的迅速化都对此提出了挑战，如何能够更快速、精确、全面的求解梯度折射率问题仍然值得探讨。
　　本文旨在建立高效、高精度和高方向分辨率的梯度折射率介质中辐射传递求解模型，为实际应用梯度折射率材料和梯度折射率光学分析提供可靠的理论支撑和现实依据。基于此，本文致力于将本课题组提出的DRESOR法推广到梯度折射率介质的辐射传递求解过程中，提出了一维稳态和瞬态条件下简单和复杂变化梯度折射率介质中辐射传递问题求解的DRESOR法体系。
　　本文推导了梯度折射率介质内辐射传递方程的DRESOR法求解基本原理、能束的追踪过程以及DRESOR数的更新。分别对一维线性和周期性变化梯度折射率介质的稳态辐射问题进行了求解，给出了弯曲能束轨迹的计算公式。对比结果验证了该方法计算的准确性，并且在无散射条件下DRESOR法的计算结果可以作为精确解。梯度折射率的存在能够对辐射传递过程产生强烈的影响；各向异性散射相函数与光学厚度对介质辐射平衡时的温度分布影响较弱，而介质的各向同性散射反照率对此无影响。针对周期性变化的梯度折射率，提出了用折射率分布的振幅与平均值之比来衡量折射率的影响并对辐射平衡时介质内出现温度交点的现象展开了讨论。
　　在研究了稳态问题之后，本文还就脉冲入射的瞬态问题开展了梯度折射率介质中DRESOR法研究。在一维截断高斯脉冲入射条件下，梯度折射率的存在会对反射率和透射率信号产生一定的衰减并使透射率信号明显延迟；光学厚度以及各向异性散射相函数均会对透射率信号产生一定程度的影响；在较大的折射率梯度、散射反照率以及光学厚度条件下，透射率信号可能出现双峰分布。此外，透射率信号包含了更多介质辐射特性的信息，因而更值得关注。
　　与传统的漫反射或镜反射壁面假设相比，BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)表面能够更好的描述实际表面的辐射特性。对此，本文在耦合BRDF表面的梯度折射率辐射问题中进行了初步探索。使用Minnaert经验/半经验模型模拟了一块水泥板表面，利用遗传算法优化得到模型参数，然后用DRESOR法和RMC(Reverse Mento Carlo)法进行了辐射传递求解。对比漫反射表面，BRDF表面使辐射平衡时介质两端的温差增大，同时辐射热流将产生一个3.5~12％左右的升高。显示了引入更接近实际表面特性的模型在辐射传递过程精确分析中的重要性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

主要符号表

目录

1 绪 论

1.1课题背景

1.2研究现状

1.3本文主要工作

2 一维线性梯度折射率介质辐射传递的DRESOR法求解

2.1引言

2.2梯度折射率介质辐射传递的DRESOR法基本原理

2.3能束追踪及DRESOR数的计算

2.4 DRESOR法求解线性梯度折射率介质辐射传递

2.5黑体壁面的线性梯度折射率介质内辐射传递分析

2.6漫灰壁面的线性梯度折射率介质内辐射传递分析

2.7本章小结

3 一维周期性梯度折射率介质辐射传递的DRESOR法求解

3.1引言

3.2 DRESOR法求解周期性梯度折射率介质辐射传递

3.3周期性梯度折射率介质内辐射传递分析

3.4辐射平衡时介质内温度交点的现象及分析

3.5本章小结

4梯度折射率介质瞬态辐射传递问题

4.1引言

4.2 DRESOR法求解瞬态脉冲入射梯度折射率介质辐射传递

4.3 DRESOR法计算结果与讨论

4.4本章小结

5耦合BRDF表面的梯度折射率介质辐射传递问题

5.1引言

5.2 BRDF模型及辐射传递问题求解

5.3 BRDF表面对辐射传递的影响分析

5.4本章小结

6 全文总结及建议

6.1全文总结

6.2后续工作的建议

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间的科研成果