阶跃尺度下混合相/单相共存的半透明介质内矢量辐射传输机理研究

The mixed phase semitransparent medium, like sea foam or mushy zone of melt crystal, which is made up of vapor-liquid, liquid-solid phases and so on, is generally situated between two large scale single phases. With the influence of the rough random surface reflection at the phase boundary and the particles scattering in the mixed phase, the radiative transfer is complex; in the condition of step-scale coexistence of mixed phase and single phases, the radiative transfer is difficult to solve because of the mesh distortion by space discretization. Around this kind of common problems appeared in nature and engineering, the project employs numerical simulation and experimental method to study vector radiative transfer in semitransparent medium with step-scale coexistence of mixed phase and single phases, and also the application of the radiative transfer rule in semitransparent medium with mixed phase. This project aims to establish an accurate numerical simulation scheme and the effective experimental test method, clarify the mechanism of mixed phase's radiation characteristics on the radiative transfer between two large scale single phases, and reveal the particularity of radiation rule in semitransparent medium with step-scale coexistence of mixed phase and single phases. The project involves the theories of radiative transfer in semitransparent, the measurement of radiation properties, computational physics, and so on. It belongs to the multidisciplinary research. The project will broaden and deepen the research connotation of related disciplines, and also will promote the development of related technologies.

由汽-液、液-固等不同相组合而成的混合相半透明介质如海水泡沫、熔融晶体糊态区等，通常介于两种大尺度单相介质之间。受相层交界处粗糙随机表面反射及混合相层内粒子散射作用，混合相介质辐射传输规律复杂；混合相/单相共存的阶跃尺度下，由于空间离散造成网格畸变而使求解难度增大。围绕自然界和工程中出现的这一类共性问题，本课题采用数值模拟及实验方法研究阶跃尺度下混合相/单相共存的半透明介质内矢量热辐射传输问题，以及混合相半透明介质热辐射传输规律的实际应用问题。建立准确的数值模拟方案和有效的实验测试手段，阐明混合相层热辐射特性对大尺度单相介质之间辐射传输过程的作用机制，揭示混合相/单相共存的半透明介质内辐射传输规律的特殊性。本项目涉及介质热辐射传输、辐射物性测量和计算物理等理论，属于多学科交叉性研究。本课题将拓宽和深化相关学科的研究内涵并推动相关技术的发展。

由汽-液、液-固等不同相组合构成的混合相半透明介质如海水泡沫层、堆积球床等广泛存在于自然界和工业生产中，其热辐射特性在水下目标的探测识别、新能源利用、节能减排、污染物治理等领域有着重要的作用。结合研究计划，本项目主要开展并完成以下四个方面的研究：.1.吸收性介质内气泡的表观辐射特性研究。.本项目首次基于广义Mie理论计算了气泡在吸收性介质内的辐射特性。研究了介质的复折射率虚部对气泡表观辐射特性的影响以及0.2~200μm可见光及红外波长范围内介质的吸收特性对气泡粒子系散射系数和吸收系数的影响。随着粒子尺度参数以及波长增大，介质吸收特性对气泡的散射特性影响不能忽略。 .2.海水表层气泡群的反射、透射特性研究。.利用Hall–Novarini模型描述气泡随风速和深度的变化规律以及Mie理论计算其辐射特性，分析气泡群浓度、波长、气泡表面有机膜和入射角度等因素对可见光反射特性的影响，以及气泡群和海面粗糙度对蓝绿光在海水表层内传播过程的影响。研究发现随风速增加气泡群散射对反射、穿透过程影响明显，高风速下考虑气泡散射的结果与忽略气泡影响的结果之间相对误差最高可达20%。.3.海面泡沫层介质反射特性研究。.对泡沫层介质提出三层结构模型，研究其在可见光和近红外光谱范围内的光谱反射率和BRDF。采用Mie理论计算多层球的辐射特性并针对堆积球特点进行修正，将该层介质等效成受风速影响具有粗糙边界条件的一维问题，分析不同波长、风速、泡沫层厚度、气泡尺寸和太阳高度角对计算结果的影响。研究表明随泡沫层厚度增加反射明显增强，风速较大时粗糙海面对反射的影响可忽略。.4.半透明球形粒子堆积床内的辐射传输规律研究。.本项目在几何光学极限内研究光束在随机分布半透明球形粒子堆积床内的传播过程，采用Monte-Carlo法进行模拟，分析不同堆积床厚度、堆积密度、入射角度和堆积球辐射物性对光束反射穿透特性的影响。