半透明顆粒相變過程中光-熱-力多場耦合機制研究

《半透明顆粒相變過程中光-熱-力多場耦合機制研究》是依託哈爾濱工業大學，由董士奎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：半透明顆粒相變過程中光-熱-力多場耦合機制研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：董士奎

項目摘要

半透明顆粒相變過程是一個複雜的耦合傳熱過程，往往伴隨著膨脹變形、收縮破裂等力學行為以及輻射吸收和發射行為，了解和掌握這些機制和行為對材料加工、航空航天、目標探測、太陽能熱化學工程、核反應堆工程等領域的過程控制、最佳化設計具有重要價值。本課題主要通過深入開展半透明顆粒相變過程中光-熱-力耦合機制的研究，考慮熱光效應和彈光效應，構建相變過程中輻射場、溫度場、應力場的多場耦合機制的數理模型；發展基於無格線法的光-熱-力多場耦合機制的系統分析方法；並開展半透明顆粒相變過程中光熱特性實驗測量作為機理分析、模型校驗的支撐；最終形成相變過程中溫度、應力回響特性、內部輻射吸收和表觀輻射特性的數值預報技術。從學術上看，該問題涉及相變、導熱、輻射傳遞、熱彈性理論等多個學科領域，具有明顯的學科交叉性。

結題摘要

半透明顆粒或材料的相變過程是一個複雜的耦合傳熱過程，往往伴隨著膨脹變形、收縮破裂等力學行為以及輻射吸收和發射行為，了解和掌握這些機制和行為對材料加工、航空航天、目標探測、太陽能熱化學工程、核反應堆工程等領域的過程控制、最佳化設計具有重要價值。項目主要研究相變過程中輻射場、溫度場、應力場的多場耦合機制的數理模型，發展基於無格線法的光-熱-力多場耦合機制的系統分析方法。取得的主要成果包括：（1）將無格線RKPM引入梯度折射率介質輻射傳輸計算中，並發展了RKPM中輻射和傳熱邊界條件施加的虛-邊界粒子法；提出了基於焓變守恆的修正等效熱容法，發展了基於無格線RKPM的半透明材料相變過程光熱力多場多級耦合問題一體化求解技術；提出了環境有效輻射溫度的概念，合理解釋了考慮熱光效應時半透明材料相變加快或變慢的現象；（2）設計搭建了高溫難熔顆粒相變過程光輻射特性測量系統和低熔點相變材料光熱特性測量實驗台，獲得了測量了正十八烷的溫度變化，以此數據作為本文數值模擬方法的驗證基準，通過實驗值和數值計算結果的對比分析，表明：無格線RKPM在計算輻射導熱耦合傳熱下的相變問題時具有良好的可靠性；(3)開展了多場作用下雙折射晶體材料光熱耦合傳輸特性與調控機制的系統分析研究，提出了一種利用電光效應調控熱光效應，即通過施加外加電場作用來削弱或抵消溫度效應的影響，從而使光傳輸行為保持某一額定狀態的光輻射調控方法，為消除或減弱晶體材料的熱光效應、提高環境適應能力提供了新思路；(4)為提高多場耦合條件下輻射傳輸計算的效率，引入分區並行計算技術，通過對分區並行方案、數值邊界處理方法、數據交換方式進行系統研究，驗證分參與性介質輻射傳輸的分區並行方法的可行性，並獲得了較高的並行效率。 發表學術論文14篇，其中SCI收錄4篇、EI收錄7篇，申報發明專利6項，授權實用新型專利2項，培養博士2人、在讀博士3人，培養碩士4人。 本項目研究結果，為進一步深入研究半透明材料多場耦合機理、特性以及調控方法提供了重要的認識基礎和技術手段。