微米孔径铝泡沫铝的辐射衰减特性.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123646
微米孔径铝泡沫铝的辐射衰减特性
刘志远赵军明刘林华资助项目:国家自然科学基金(,)
(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150001)
Tel.: 0451-86402237,Email: ******@hit.
摘要:泡沫金属是一类新型功能材料,特殊的多孔结构使其具备多种优良性能。泡沫金属的孔隙及支架尺寸根据不同的准备工艺可以达到微米至亚微米尺寸。对于具有微米尺寸孔隙结构的泡沫金属,其内部热辐射传输的分析需要考虑热辐射的波动相干效应。本文使用时域有限差分法(FDTD)研究了入射波长与孔径尺寸相当时单层及多层周期性立方体元胞泡沫铝的光谱等效衰减系数,分析了层数不同引起的等效衰减系数的尺寸效应。结果表明,等效衰减系数随层数的增加存在一个复杂的非线性关系,尺寸效应引起单层结构等效衰减系数与多层结构(20层)等效衰减系数的偏差达到约20%,但采用2层结构与多层结构(20层)等效衰减系数的偏差小于6%,随着层数的增加获得的等效衰减系数趋于稳定。FDTD计算所得的透过率的结果与经典多层介质的净辐射热量法获得的不同厚度泡沫铝的透过率预测结果吻合较好,说明将泡沫铝等效为半透明介质利用经典辐射传递理论进行辐射换热的分析是可行的。
关键词:微尺度泡沫金属;多层结构;FDTD;净辐射热量法;辐射衰减系数;
引言
由于泡沫金属的优良性能,从上个世纪五十年代能够生产泡沫金属开始[1],研究人员在其机械强度、传热、催化等各个方面已开展了大量的工作[2, 3]。随着材料成型技术的发展,目前已经出现了微纳米尺度的泡沫形态,Paul[4]等人借鉴细胞渗透休克的原理在聚合物中实现了微纳米尺度的泡沫结构,如图1(a);Xia[5]等人用化学方法制备出了金的纳米笼,如图1(b),并在定点治疗肿瘤的应用中进行了初步探索。如图1(c)是宏观尺寸的泡沫金属形态,显然微纳米尺度的泡沫金属形态有了很大变化,它的辐射特性及应用领域都有待探索。
(a) 微纳尺度多层泡沫聚合物[4] (b)微纳尺度立方框架元胞[5] (c) 宏观尺度泡沫金属[6]
图1 微纳尺度泡沫金属形态与宏观尺度泡沫金属对比图
据此,无论是按照Paul还是Xia的思路继续发展,都可以堆叠出单元胞形态规则的微尺度多层结构。按照两种思路各有优势,前者的制备方法如果得以发展,可以一步到位实现微纳米泡沫金属的制备,但目前与此相关的多层微纳米泡沫金属的研究积累还很少;与后者相关的金属纳米管、纳米棒、纳米笼的制备和性质研究已有一些研究[7]。
对于具有微米尺寸孔隙结构的泡沫金属,其内部热辐射传输的分析需要考虑热辐射的波动相干效应。本文使用时域有限差分法(FDTD)研究了入射波长与孔径尺寸相当时单层及多层周期性立方体元胞泡沫铝的光谱等效衰减系数,并分析层数不同引起的等效衰减系数的尺寸效应。
理论模型
数值方法
本文采用流行的时域有限差分方法(FDTD)来进行电磁场的数值计算,在该方法中,麦克斯韦方程及本构方程的形式如下[8]:
(1-a)
(1-b)
(1-c)
其中,H、E、D分别是磁场、电场和位移向量,是复介电常数(铝的复介电常数见文献[9])。本文采用的边界条件均为完全匹配层条