【《辐射制冷-微纳米颗粒薄膜的辐射传输特性分析》2200字】

辐射制冷-微纳米颗粒薄膜的辐射传输特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u14484辐射制冷-微纳米颗粒薄膜的辐射传输特性分析 160111.1.计算方法 1177921.2.聚合物薄膜参数分析 1172041.2.1.粒径d的影响 2151011.2.2.体积分数fυ的影响 3103441.2.3.薄膜厚度h的影响 4本章主要针对具有热塑特性的光学材料进行研究，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为研究对象，该材料具有透光性高、化学稳定性良好、制作工艺简单、应用性强等优点。它的折射率值n≈1.5，吸收指数k≈0[16]，本文取值为n=1.5，k=0,计算所需数据来自文献资料[17][18]。微纳米颗粒薄膜采用单粒径粒子系，所用粒子粒径相同。本章将研究将SiO2粒子加入到吸收性介质中，其构成的单粒径微纳米颗粒聚合物薄膜的辐射传输特性。在数值模拟的基础上，分析0.2~14.0mm波段范围内薄膜的发射率、反射率等辐射特性，研究粒子粒径d、薄膜厚度h和体积分数fυ等参量对于辐射特性的影响。图4-1微纳米颗粒薄膜示意图计算方法由于存在介质的吸收指数与粒子的尺度参数，介质的吸收性能将对粒子辐射特性产生的作用加强，因此不能选用常规Mie理论进行粒子光谱辐射特性的求解[13]。本章通过蒙特卡洛方法(MCM)计算微纳米粒子在聚合物薄膜中的辐射传递过程。将粒子散射系数、吸收系数、散射相函数等数值信息输入MCM程序，则可输出聚合物薄膜的反射率、透射率、吸收率，进一步分析各参量的影响。聚合物薄膜参数分析为了强化白天辐射制冷的效果，需要尽可能多的反射来自太阳辐射波段的能量，同时在大气窗口内尽可能多的将薄膜吸收的能量发射出去。本次模拟实验设置的太阳光束的波段范围为0.3~14.0mm，所以主要分析0.3~4.0mm波段范围内的光谱反射率和8.0~14.0mm的光谱发射率。粒径d的影响前文提及太阳能量光谱各个波段所占能量比例有所波动，而对于反射能量来说，太阳光束波长在0.3~4.0mm范围内分的能量占据投射到地面的总太阳能量的98.88%，对0.3~4.0mm波段继续进行细化分析，计算得到0.3~1.5mm波段占87.77%，1.5~4.0mm波段占11.11%[14]。因此，在研究SiO2粒子的太阳光照射下的光谱反射率时，要关注0.3~4mm波段的整体反射情况，也要重点研究0.3~1.5mm波段的局部反射情况。由电磁波谱可知，常温下的黑体辐射主要集中在8.0~13.0mm波段[14]。将发射体看做温度300K的黑体研究其向外发射的能量，计算得出，9~10mm波段光束发射的能量占比最高，约21.07%，12.0~13.0mm波段光束发射的能量占比最低，约为18.26%，因此相同情况下应重点关注9.0~10.0mm波段聚合物薄膜的发射情况。在本次研究中，将SiO2粒子置于PDMS材料中，体积分数fυ设定为20%，微纳米颗粒聚合物薄膜厚度设定为200mm，粒径d=0.2~2.0mm，数据处理后得到图4-2。图4-2(a)给出了0.3~4.0mm波段范围内五种不同粒径在fυ=20%、h=200mm下的反射率，由图可知，当入射光波长0.3≤λ≤0.7mm时，粒径d=0.2mm的粒子反射率最高，粒径d=2.0mm的粒子反射率最低；当入射光波长0.7≤λ≤1.2mm时，粒径d=0.4mm的粒子反射率最高；当入射光波长1.2≤λ≤2.0mm时，粒径d=1.0mm的反射率最高，粒径d=0.2mm的反射率最低。图4-2(b)给出了8.0~14.0mm波段范围内五种不同粒径在fυ=20%、h=200mm条件下的发射率。由图可知，粒径d=0.2mm的粒子平均发射率最高，粒径d=2.0mm的粒子平均发射率最低。但是8.0~14.0mm波段范围内反射率整体基本都在90%以上，所以粒径对于薄膜吸收能量的发射效果的影响较小。(a)(b)图4-2微纳米颗粒薄膜的光谱辐射特性随粒径的变化情况(a)反射率；(b)发射率考虑以上发射率与反射率的数值分析，结合太阳光束各个波段能量所占比例，得出SiO2微纳米颗粒聚合物薄膜的的最优粒径取值范围为0.4~1.0mm，本文取最优粒径d=1.0mm。体积分数fυ的影响就单粒径粒子系而言，要使微纳米颗粒处于随机分布状态，要求其粒子体积分数小于74%，为了防止粒子发生粘连等情况，要求粒子的体积分数小于40%。考虑到以上要求及微纳米颗粒聚合物薄膜的生产工艺与成本，本章节选取的体积分数范围为1%~30%。在本次研究中，将SiO2粒子置于PDMS材料中，微纳米颗粒聚合物薄膜厚度设定为200mm，粒径d=1.0mm，体积分数fυ设定为1%~30%，数据处理后得到图4-3。图4-3(a)给出了0.3~4.0mm波段范围内五种不同体积分数的微纳米粒子聚合物薄膜在d=1.0mm、h=200mm下的反射率。由图可知，当入射光波长0.3≤λ≤0.5mm时，光谱反射率上升，且随着体积分数的提高，微纳米聚合物薄膜的反射率提高，体积分数fυ=30%的聚合物薄膜反射率最高，体积分数fυ=1%的聚合物薄膜反射率最低。图4-3(b)给出了8.0~14.0mm波段范围内五种不同体积分数的微纳米颗粒聚合物薄膜在d=1.0mm、h=200mm下的发射率。由图可得，发射率图线趋势相同且基本重合，数值方面整体基本都在90%以上，因此体积分数对于微纳米颗粒聚合物薄膜8.0~14.0mm波段范围内的发射率几乎没有影响。(a)(b)图4-3微纳米颗粒薄膜的光谱辐射特性随体积分数的变化情况(a)反射率；(b)发射率考虑生产工艺要求及上述反射率、发射率的数据分析，得出SiO2微纳米粒子聚合物薄膜的最优体积分数取值范围为fυ=20%~30%，本文取最优值为fυ=30%。薄膜厚度h的影响在薄膜厚度的选取中，需注意厚度上限的选择。薄膜厚度h的增大会引起光束作用在薄膜中的时间增加，从而导致MCM的数据运算时间延长，影响计算效率，且薄膜过厚会造成制作成本的提高，不利于大规模推广应用。在本次研究中，将SiO2粒子置于PDMS材料中，微纳米粒子粒径d设定为1.0mm，体积分数fυ设定为30%，微纳米颗粒聚合物薄膜厚度h设定为20~200mm,数据处理后得到图4-4。图4-4(a)给出了0.3~4.0mm波段范围内四种不同厚度的微纳米颗粒聚合物薄膜在粒径d=1.0mm、体积分数fυ=30%下的反射率。当入射光波长0.3≤λ≤0.5mm时，光谱反射率上升，且随着薄膜厚度的增大，微纳米颗粒聚合物薄膜的反射率提高，当入射光波长0.3≤λ≤2.5mm时，厚度h=200mm的薄膜反射薄膜吸收的能量的效果更好。图4-4(b)给出了8.0~14.0mm波段范围内四种不同厚度的微纳米颗粒聚合物薄膜在粒径d=1.0mm、体积分数fυ=30%下的发射率。当光束波长0.3≤