非规则颗粒系统辐射特性分析(2)
2。对于物体表面的辐射情况，可以通过查找其辐射特性或者通过实验手段获得精确的参数。实际空间内粒子系统由于颗粒尺寸较小，并且在很多情况下颗粒是动态变化的。在自然界及工业生产中，呈粒子状态的物质、产品等不计其数，如自然现象中的云、雾、雨、雪都是由粒子构成，悬浮在空气中的粒子等 11；这些粒子普遍都非常小，尺寸大都在纳米或者亚微米量级，因此它们在系统中所占的体积分数、质量分数很小，但是这并不能因此忽略它们对光的吸收、发射和传输所起的的作用。例如煤炭燃烧时所产生的炭黑粒子、飞灰粒子和烟气粒子，它们能近似看成由许多球形颗粒聚集而成，这些单元粒子的半径在10nm—100 nm 之间，燃烧过程是否充分决定了单元粒子的数目：当燃烧进行的很充分时，产生的粒子数目有几个或者十几个，当燃烧进行的不充分时，所产生的粒子数目将达到一万甚至更多 11。然而这些粒子大多数都是非规则的，并不都是规则的匀质球体。如煤粉炉内飞灰煤灰等颗粒形状，有空心球、椭球、片状颗粒、表面带棱角的颗粒等等不规则形状。高温火箭尾焰中的三氧化二铝颗粒，由于在快速冷却过程中存在相变问题，所以颗粒也都基本都是非规则形状。与球形颗粒对比，非规则颗粒由于形状不同，会在吸收散射特性方面产生不同的特点，从而导致他们组成的粒子系统辐射传递特性出现不同的特点。颗粒是组成粒子系的基础，研究这些颗粒的吸收散射特性，有助于我们更清楚地认识光在粒子系统内的传输机理，对我们利用粒子自身性能来改变系统辐射特性有着重要作用。空间内颗粒系统辐射传递特性与颗粒及其周围介质属性密切相关，颗粒大小、形状、浓度、颗粒空间分布等参数都会影响颗粒系统的吸收和散射特性，进而导致空间内温度分布、空间与外界辐射换热量的变化，了解和掌握这些参数对辐射换热的影响规律，对实际的应用是很重要的，如锅炉内空间温度的分布会影响煤粉燃烧快慢和燃尽程度，大气层中的气溶胶颗粒可以影响太阳光的传输过程和卫星通信。由于大多数粒子的数量级都比较小，很多都是直径处在 1到 100nm 之间的纳米粒子。纳米颗粒具备很多特性，近些年开始的纳米科技，成为了当今科学领域研究的一个重要区域。纳米颗粒的存在多种多样，很多也都是非规则的。它的形态可能是乳胶体、聚合物、金属颗粒、陶瓷颗粒或者碳颗粒等，正在越来越多的被应用于电子产品、医学领域、化妆品等多种领域 6。目前用金属磁粉制成的磁带磁盘等，不仅具有大容量，还有高密度低噪音等优点。1.2 国内外研究现状颗粒的构造特性是影响其光谱辐射特性的重要参数。纳米粒子的形状越复杂，它的共振模式种就越多。
2002 年，许小永等人用DDA 方法研究了球锥扁椭球形冰粒，发现该颗粒的后向散射截面主要与颗粒的尺度参数以及形状有关。Iva´n O. Sosa 等人研究了任意金属粒子的光学特性，重要分析了粒子的形状对吸收效率、散射效率和消光效率的影响 17。齐宏、阮立明等人分析了双球聚集粒子的辐射特性，他们分析了两种情况，一种是考虑粒子间的相互作用，而另一种情况不考虑该作用，发现其结果存在一定偏差，最大可达到30%，而且这种偏差主要随着粒子间距以及粒子尺度参数变化。周伟、张围等人研究了纯金纯银以及金银纳米核壳结构的 LSPR 消光光谱发现光谱波峰的变化与折射率成线性关系。在 2006 年，CeciliaNoguez研究了金属纳米粒子表面的等离子激元与粒子形状和周围介质环境的影响 18， 发现纳米颗粒间的相互作用可以促进多极共振，它们的红移或者蓝移取决于外磁场的两极分化。在2014 年，张晓峰、周伟分析了不同银纳米粒子及其组合阵列的消光现象和耦合现象，得出了LSPR 现象与纳米颗粒的种类、大小、形状、阵列以及周围介质有关的结论。关于非规则颗粒的各方面研究：目前，在稠密气固系统里，有关于非规则颗粒的运动机制的研究国内外均处在发展阶段，没有很好地研究成果。在这项研究中始终没办法充分的利用先进的数值模拟方法，因此就没有办法得到半径不同的粒子的更深层次的运动机理 3。国内目前对于流场中的非规则颗粒的动力学问题的研究，并不是很充分，其中做得比较好的是浙江大学林建忠教授等人的工作。他们主要研究了圆柱状颗粒两相流体动力学，建立了湍流场颗粒取向平均分布函数理 4。针对规则球形粒子的研究，现在已经得出了系统性的方案。研究方法多数采用Mie 理论方法，法国学者Gouesbet 提出了广义Mie 理论，该理论最初主要用于求解球形颗粒在圆形高斯波束在轴或者离轴入射条件下的散射。20 世纪90 年代后，又被拓展到多层颗粒、柱状颗粒、椭球颗粒等。入射波束也由高斯波束拓展到椭圆形或者其他型波束，逐渐形成一个完善的理论体系。对于非规则粒子的研究，可选取的方法有很多，最常用的有离散偶极近似法和时域有限差分方法等，这些方法在下一节仔细介绍一下。1.3 本文研究内容（1）单个粒子辐射特性影响因素分析单个粒子是组成粒子系的基础，本文针对单个粒子的形状、尺度参数和周围介质进行了分析。对于规则球形的粒子，它的辐射问题已经得到了很好的解决，最常用的方法是Mie 理论。 本文采用FDTD 的方法，对这些不同因素的粒子进行研究，通过改变上述影响因素来分析其对颗粒吸收、散射因子的影响。（2）粒子系的辐射特性分析自然界以及生产生活中的粒子大多数以粒子系的方式存在，本文先针对银粒子系处在独立散射和非独立散射情况进行分析。又分析了在非独立散射情况下粒子系内粒子形状、浓度和周围介质的影响。通过这些因素的改变来分析其对银粒子系吸收和反射的影响。