基於熵理論的輻射換熱數值計算誤差研究

《基於熵理論的輻射換熱數值計算誤差研究》是依託哈爾濱工業大學，由張昊春擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於熵理論的輻射換熱數值計算誤差研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張昊春

項目摘要

作為能量和信息傳遞的一種方式，輻射換熱近年來在民用和軍用高新技術領域得到了廣泛的發展和套用。特別是隨著計算機技術和計算科學的發展，輻射換熱計算方法的精度在航空航天、生物醫學、大氣輻射傳輸等領域內已成為令人關注的問題，輻射換熱數值計算誤差的理論分析方法及抑制方法是未來計算熱輻射學的重點研究領域。本項目研究輻射換熱數值計算的共性問題，綜合運用熱力學第二定律的確定性熵產理論及資訊理論中機率統計性信息熵理論，建立一種創新的研究輻射換熱數值計算誤差的方法。在構建基準模型和選定基準解的基礎上，藉助熵理論建立度量誤差的模型，通過數值模擬分析各種因素對數值計算誤差的影響，並考察誤差的分布特性。在此基礎上，探索提高數值計算精度的途徑，並用具體的科學與工程實例來驗證，從而為實現輻射換熱的高性能計算提供理論依據。本項目研究緊跟國際學術前沿，密切結合套用，具有重要的理論意義和工程套用價值。

結題摘要

本項目針對航空航天、可再生能源和超材料等領域內輻射換熱數值計算的精度問題，綜合運用熱力學中確定性熵產理論及資訊理論中機率統計性信息熵理論，建立一種創新的研究輻射換熱數值計算誤差的方法。項目完成了計畫任務書規定的研究任務，達到了預期目標。在構建基準模型和選定基準解的基礎上，採用熵理論建立度量誤差的模型，通過數值模擬分析各種因素對數值計算誤差的影響。構建了描述有限體積法（FVM）數值求解輻射傳輸方程（RTE）離散誤差的熵產指示因子，該方法與以往研究中選用的基於溫度場定義的誤差指示因子相比具有更好的適用性。基於信息熵理論，將RTE求解的溫升值劃分為3個尺度構建信息熵，定義了輻射換熱數值求解的不確定度，信息熵作為RTE算法不確定度的指示因子可以綜合的評價FVM的計算誤差。在雷射傾斜入射人工基準模型的基礎上，通過泰勒級數展開分析了FVM離散誤差的成因，採用溫升比較方法研究了FVM的空間離散誤差，研究了格線數、空間差分格式、物性偏差對精度的影響，並對數值散射的分布特性進行了研究。運用熵產理論研究了經典傳熱與流動問題數值計算的精度與穩定性問題，用熵產計算的收斂特性作為判定依據，並以典型流動與傳熱問題為例驗證了該方法的有效性，研究成果被國際同行引用並對相關領域的研究有借鑑作用。在探索提高數值計算精度的途徑基礎上，採用若干具體的科學與工程實例來驗證。選用一維三層半透明介質耦合傳熱模型研究了光子晶體熱控塗層在高超聲速熱防護結構中的傳熱特性；基於熵產公式和局部結構湍流水頭損失係數的概念研究了微結構的流動損失特性；分析和比較了區域法、球諧函式法及熱流密度法在核反應堆熱輻射傳輸過程數值計算中的射線效應及其影響因素；建立二維準穩態液滴蒸發熵產模型研究低雷諾數空氣來流正庚烷液滴蒸發過程；基於微納米尺度能量傳輸理論對高溫光子晶體材料進行了多尺度熱電磁建模；基於熱力學理論探討仿生微結構湍流減阻機理；數值仿真高能雷射輻照材料的燒蝕特性。項目與德國漢堡工業大學合作，緊跟國際學術前沿，為實現輻射換熱的高性能計算提供理論依據。本項目正式發表論文15篇，應邀撰寫國外學術專著1章；項目負責人獲2011年度 ASME Journal of Heat Transfer 最佳論文評審人，2012年度中德學者短期合作交流項目赴德學者資助；培養碩士生7人，博士後1人；研究成果被SCI他引1次。