文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123637
隔热板对近场辐射影响的研究基金项目:国家自然科学基金资助项目()
谷伟唐桂华陶文铨
(热流科学与工程教育部重点实验室,西安交通大学能源与动力工程学院,西安 710049)
(Tel:********** E-mail:guwei.******@.)
摘要:本文以关于两半无限大辐射热源间的并矢格林函数为基础利用传递矩阵法,在不考虑温度对介电常数影响的情况下以SiC材料为例,研究了隔热板对近场辐射传热的影响。研究结果表明,隔热板对近场辐射的影响完全不同于传统辐射问题,近场下的净辐射热流不仅受隔热板的相对厚度的影响,而且受隔热板位置的影响。所得的结论对近场辐射传热的热设计具有一定的指导意义。
关键词:并矢格林函数;传递矩阵法;近场辐射;隔热板
0引言
微纳米技术的发展极大地促进了众多学科的变革与创新,其中便包括传热学这个传统学科。就传统辐射传热问题而言,Stefan-Boltzmann定律给出了真空中两辐射源之间的最大辐射换热量,然而该定律仅当两辐射源之间的距离远大于由维恩位移定律给出的热辐射特征波长λT时才成立[1]。当两物体间的距离与特征波长相当或较之更小时,波的干涉效应以及光子隧道效应决定了辐射换热量的大小[2]。这种近场效应使得两物体之间的辐射换热量对它们之间的间距存在着明显的依赖关系。当物体间距接近于但是大于特征波长时,物体间的辐射换热量主要受波的干涉效应的影响。而当物体间的距离小于特征波长时,物体间的辐射换热量主要受光子隧道效应的影响[3]。研究表明,当两个辐射源之间距离减小到微纳米量级时,其辐射换热量比Stefan-Boltzmann定律给出的结果大5到6个量级[4]。对于近场辐射中隔热板的作用问题目前还没有见到公开文献的报道,本文主要目的就是研究隔热板对近场情况下辐射换热的影响。
1近场辐射理论基础
由于物体内部电荷的随机热运动而产生的热辐射可由上世纪五十年代已发展成熟的涨落-耗散理论来定量描述。而电磁波的传播及其与物体之间的相互作用可由麦克斯韦方程组来定量描述。在上世纪五十年代,前苏联学者Rytov利用麦克斯韦方程组并结合涨落-耗散理论提出了涨落电动力学,该理论能够全面地描述热辐射的发射、传播与吸收[5]。
对于给定的几何条件,通过解麦克斯韦方程组并借助并矢格林函数可以得到描述该几何条件下的电场和磁场的比较简洁的表达式,如式(1)和式(2)所示。
(1)
(2)
上式中,E为电场强度,H为磁场强度,为并矢格林函数,为真空磁导率,、为源坐标,为场坐标,V为包含涨落电荷的体积,为频率,为涨落电荷引起的电流密度的傅立叶变换。
最终,可以由式(3)得到辐射热流的光谱分布[6]。
(3)
式(3)中,表示求系综平均,S为玻印廷矢量,“*”表示求复数的共轭,“Re”表示取复数的实部。
将式(1)和式(2)代入式(3),我们将发现在计算式(3)之前必需首先知道作为热辐射源的涨落电流密度的空间-频域相关函数的系综平均。
根据涨落-耗散理论可得出式(4)所示表达式[7]。
(4)
式(4)中,和(m,n=1、2或3)为电流密度j的x、y或z的分量,为克罗内克变量,为狄拉克函数,为热平衡态下普朗克振子的平均能量,如式