摘要：工程中颗粒物的辐射常常与相变颗粒物的光学性质有关，本文主要以半透明小颗粒为研究对象，研究其在温度的影响下的相变过程对相应颗粒物的辐射特性的影响。在辐射计算方面首先选用球形粒子的假设模型，使用经典的Mie模型进行颗粒物的辐射计算；在相变方面将对不同的物质采取不同的相变模型，主要区分度在于是否出现相变温度梯度。设计计算模型后与现有的精确数据进行比照以验证模型的正确性，最后实现可视化。 关键词：热辐射—相变耦合；半透明介质；温度梯度；Mie计算
引言
在自然界及工业生产中，很多物质及产品（包括中间产品）呈粒子状态，颗粒物的辐射特性受多种因素的影响，如何精确地获取颗粒物的辐射特性以及重要的数值数据变得十分重要。本文将着重考虑颗粒物的光学特性和相变过程来更详细地获取颗粒物的辐射特性。现阶段的研究成果指明了该课题的研究方向，例如在颗粒物辐射特性计算方面，不同的假设会有不同的计算方式，球形假设的Mie模型计算、蒙特卡洛法求解热辐射传输。在相变对物体的影响方面：有通过影响物体的折射率来影响物体内部的温度场分布进而影响传热以及相变过程的例子以及相变温度对粒子辐射的影响。综上所述，本文将在工程热物理的学科范围内对颗粒物的多因素影响下的辐射特性进行阐述。
1.相变—热辐射的耦合介绍
2.1发展历史
研究热辐射对半透明材料相变过程的影响始于上世纪 70 年代。开始的研究是假定存在 纯液态和纯固态两个相，由平直界面隔开。上世纪 80 年代， Chan、Hsu 、Oruma 、Webb 等学者研究了一维半透明材料的相变问题；之后发展了纯液相和纯固相区域之间存在等温“糊状区”的假设。 1996 年至 2000 年， Yimer采用焓法和球谐函数法求解了相变—辐射的轴对称问题，数值分析了半透明介质相变过程中辐射对温度分布、固/液界面位置和能量存储能力的影响。 2001 年， Rubtsov 和 Savvinova研究了一维经典 Stefan 问题（移动界面问题）中各向同性和各向异性散射对透明材料熔化和凝固的影响，还研究了各向异性散射对“糊状区”边界位置的影响。2002 年，Yao等人拓展了早期 Chan 等人的工作，采用焓法和离散坐标法对纯半透明材料受到辐射和对流冷却时的一维 “糊状区”平衡凝固过程进行了研究。最近三年，Mishra 等连续发表多篇论文，对半透明材料的一维、二维及三维凝固问题进行了研究。假设半透明材料的凝固在某个温度范围内发生，因此相变发生时，具有明确的液相、糊状和固相区。采用格子-波尔兹曼法求解焓能量方程，采用离散传递法、离散坐标法及有限体积法求解能量方程中的辐射信息。分析了衰减系数、散射反照率、折射率等参数对介质内温度和液相或固相份额分布的影响。 2008 年，Łapka 和Furmański采用有限体积法求解焓方程和辐射传递方程，研究了半透明介质的二维瞬态凝固过程。
2.2相关研究成果
在颗粒物的相变研究中，存在很多的影响因素，其中最主要的就是相变过程中的温度分布以及温度对相变过程的影响。其中相变的直接驱动力为体系中存在的高能量状态，这导致物质发生相变，但是随着高能量状态导致的相变引起的阻力阻碍新相的形成，两者平衡时便形成新环境下的稳定的相态。工业中的颗粒物相变一般会涉及到高温情况，在高温的情况下，相变不仅仅是一个由温度单因素导致的过程，在高温情况下不能排除颗粒物相变过程中的辐射问题，辐射带走体系的部分能量也影响着相变的过程，所以，耦合颗粒物相变过程和热辐射过程的相应计算问题有待进一步细致的研究。
现在就物质的相变和热辐射的相关研究已有进展，大部分是建立在实际的工业应用背景
下的一部分研究，比如：《有限元求解二维介质辐射—相变耦合传热》一文中介绍了在颗粒物的半透明特性条件下的热辐射耦合相变研究，文章便建立在了光学晶体生长、半透明材料的加工、等离子镀膜、重返大气层运载工具的烧蚀冷却、发电厂煤渣的凝固等工业应用背景下。
在计算方法上，通过采用伽辽金有限元求解二维辐射—相变耦合传热能量方程，研究了半透明介质内辐射—相变耦合传热问题。实验结果表明：热辐射加快了半透明材料的凝固过程；相变过程中，热辐射作用使得介质瞬态温度分降低，但却提升了介质稳态温度分布。
在计算热辐射的有关问题上多采用蒙特卡洛方法求解，相变方面多采用有限体积法求解基于焓的能量方程（考虑凝固过程尤为有效） 2.散射性半透明介质内红外热辐射与相变耦合换热 2.1介绍
上世纪60年代末，Viskanta首先研究红外热辐射对半透明材料熔化和凝固的影响．李佳玉哺1研究了在凝固过程中3种相态(液态、y相、d相)A12O3，粒子的吸收指数随相态的变化关系，分析了不同相态AI2O3，粒子辐射特性随温度和波长的变化关系．Mishr假设凝固发生在一定温度范围内，考虑了液、糊、固三个相区，利用格子波尔兹曼和有限体积法分析了二维、吸收、发射、各向同性散射性半透明材料的相变．Lapka通过假设适当的液相率和温度的关系，研究了半透明纯材料、共晶合金和二元合金类材料的瞬态凝固过程．在已经发表的文章里，很少有文章考虑散射对二维半透明介质瞬态凝固过程的影响．本文采用蒙特卡洛法求解红外热辐射传输，有限体积法求解能量方程，研究了二维半透明介质的红外热辐射与相变瞬态耦合换热特性，重点讨论了各向同性散射条件下各种热光学特性参数对凝固过程的影响。
2.2现有这方面进展的研究方法及结论
二维矩形吸收、发射、各向同性散射性半透明介质的凝固传热过程．采用有限体积法求解基于焓的能量方程，蒙特卡洛方法求解红外热辐射传输．一维相变导热、二维瞬态红外热辐射与导热耦合换热的结果与文献进行了比较，吻合较好，说明建立的红外热辐射与相变耦合换热模型是可靠的．分析了衰减系数、折射率、导热一辐射参数、潜热等对相变介质内温度、液相率分布的影响．研究发现，衰减系数对凝固过程影响较大，尤其是曲线中部温度随衰减系数增大大幅下降，但因其是高温区，液相区分布只是略有减少．随着折射率的增加，中部温度略有下降，两侧温度上升，糊态区液相率也有明显增大．导热一辐射参数对温度和液相率均有较大影响：导热占优时，温度下降较快，凝固加速；红外热辐射占优时，温度下降较慢，凝固减缓；当热辐射占绝对优势时，温度分布会在两侧近壁面处出现凸起，明显的体现出红外热辐射传输的远程性．
3.相变与辐射理论在空间液滴辐射散热器上的应用 在空间液滴辐射散热器的计算模型中
由于液滴层向空间散热冷却，因此液滴层的温度T = f ( x , y) 。液滴层有许多个直径为 50-200 μm 的液滴组成，发射、吸收和散射辐射能。考虑液滴层 在飞行中发生相变,冷却液滴层的能量控制方程为
辐射能量的净得或净失等于本身发射与吸收之能量差。对所有波长积分，可得全波 长的
辐射能量方程，即
可以看出在有相变存在的过程内，温度变化趋势相差不大，这个阶段是凝固过程，当相变结束属于固体正常冷却过程，温度变化的斜率有了显著的区别。
本文采用蒙特卡洛方法求解热辐射,源项法求解相变,建立了空间液滴辐射散热器含液滴粒子层的相变与辐射换热的数学模型，计算了空间液滴辐射散热器含液滴粒子层的相变与辐射换热特性，考察了相变与辐射耦合换热下的温度场变化，分析了不同情况下的凝固率变化和温度变化，以及减少散热器工质质量对凝固率和温度变化的影响。
[参考文献]
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[2]易红亮，何凯，甄仌,谈和平. 有限元求解二维介质辐射—相变耦合传热 [C]. 哈尔滨: 中国工程热物理学会, 2009.
[3]甄 灸，易红亮，谈和平，阮立明.散射性半透明介质内红外热辐射与相变耦合换热[J]. 红外与毫米波学报,2011, (30): 1-8.
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