半透明颗粒相变过程中光-热-力多场耦合机制研究

半透明颗粒相变过程是一个复杂的耦合传热过程，往往伴随着膨胀变形、收缩破裂等力学行为以及辐射吸收和发射行为，了解和掌握这些机制和行为对材料加工、航空航天、目标探测、太阳能热化学工程、核反应堆工程等领域的过程控制、优化设计具有重要价值。本课题主要通过深入开展半透明颗粒相变过程中光-热-力耦合机制的研究，考虑热光效应和弹光效应，构建相变过程中辐射场、温度场、应力场的多场耦合机制的数理模型；发展基于无网格法的光-热-力多场耦合机制的系统分析方法；并开展半透明颗粒相变过程中光热特性实验测量作为机理分析、模型校验的支撑；最终形成相变过程中温度、应力响应特性、内部辐射吸收和表观辐射特性的数值预报技术。从学术上看，该问题涉及相变、导热、辐射传递、热弹性理论等多个学科领域，具有明显的学科交叉性。

半透明颗粒或材料的相变过程是一个复杂的耦合传热过程，往往伴随着膨胀变形、收缩破裂等力学行为以及辐射吸收和发射行为，了解和掌握这些机制和行为对材料加工、航空航天、目标探测、太阳能热化学工程、核反应堆工程等领域的过程控制、优化设计具有重要价值。项目主要研究相变过程中辐射场、温度场、应力场的多场耦合机制的数理模型，发展基于无网格法的光-热-力多场耦合机制的系统分析方法。取得的主要成果包括：（1）将无网格RKPM引入梯度折射率介质辐射传输计算中，并发展了RKPM中辐射和传热边界条件施加的虚-边界粒子法；提出了基于焓变守恒的修正等效热容法，发展了基于无网格RKPM的半透明材料相变过程光热力多场多级耦合问题一体化求解技术；提出了环境有效辐射温度的概念，合理解释了考虑热光效应时半透明材料相变加快或变慢的现象；（2）设计搭建了高温难熔颗粒相变过程光辐射特性测量系统和低熔点相变材料光热特性测量实验台，获得了测量了正十八烷的温度变化，以此数据作为本文数值模拟方法的验证基准，通过实验值和数值计算结果的对比分析，表明：无网格RKPM在计算辐射导热耦合传热下的相变问题时具有良好的可靠性；(3)开展了多场作用下双折射晶体材料光热耦合传输特性与调控机制的系统分析研究，提出了一种利用电光效应调控热光效应，即通过施加外加电场作用来削弱或抵消温度效应的影响，从而使光传输行为保持某一额定状态的光辐射调控方法，为消除或减弱晶体材料的热光效应、提高环境适应能力提供了新思路；(4)为提高多场耦合条件下辐射传输计算的效率，引入分区并行计算技术，通过对分区并行方案、数值边界处理方法、数据交换方式进行系统研究，验证分参与性介质辐射传输的分区并行方法的可行性，并获得了较高的并行效率。 .发表学术论文14篇，其中SCI收录4篇、EI收录7篇，申报发明专利6项，授权实用新型专利2项，培养博士2人、在读博士3人，培养硕士4人。.本项目研究结果，为进一步深入研究半透明材料多场耦合机理、特性以及调控方法提供了重要的认识基础和技术手段。