[論文レビュー] Many body heat radiation and heat transfer in the presence of a non-absorbing background medium

Boris Müller, Roberta Incardone+3 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Oct 24, 2016

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、フラクチュエーショナル電磁力学を用いて、吸収しない背景媒質内における多体放射熱伝達の一般理論的枠組みを構築し、熱伝達の対称性と正定性を証明する。背景媒質は、球体からの放射熱と平行平板間の熱伝達を強く増幅することが示され、空気のような気体では、マクロスコピックモデルとマイクロスコピックモデルが同一の結果をもたらす。

ABSTRACT

Heat radiation and near-field radiative heat transfer can be strongly manipulated by adjusting geometrical shapes, optical properties, or the relative positions of the objects involved. Typically these objects are considered as embedded in vacuum. By applying the methods of fluctuational electrodynamics, we derive general closed-form expressions for heat radiation and heat transfer in a system of $N$ arbitrary objects embedded in a passive non-absorbing background medium. Taking into account the principle of reciprocity, we explicitly prove the symmetry and positivity of transfer in any such system. Regarding applications, we find that the heat radiation of a sphere as well as the heat transfer between two parallel plates is strongly enhanced by the presence of a background medium. Regarding near- and far-field transfer through a gas like air, we show that a microscopic model (based on gas particles) and a macroscopic model (using a dielectric contrast) yield identical results. We also compare the radiative transfer through a medium like air and the energy transfer found from kinetic gas theory.

研究の動機と目的

• 非吸収性の背景媒質に埋め込まれたN個の任意の物体系へのフラクチュエーショナル電磁力学の拡張。
• 再帰的原理を用いて、このような系における熱伝達の対称性と正定性の証明。
• 背景媒質が、特に球体および平行平板の間の熱放射と熱伝達に与える影響の調査。
• 空気のような媒質における放射熱伝達について、マクロスコピックな誘電体モデルとマイクロスコピックな気体粒子散乱モデルの比較。
• 放射熱伝達が気体動力学理論の予測とどのように一致するかの統合。

提案手法

• 非吸収性背景媒質が存在する状況下で、フラクチュエーショナル電磁力学を用いて、熱放射および熱伝達の閉形式表現を導出する。
• 再帰的原理を適用して、N体系における熱伝達の対称性と正定性を厳密に証明する。
• 複数の物体を記述する複合散乱作用素を表すために、$$\mathbb{T}$-行列形式を用い、任意の次数まで反復展開を行う。
• 複合散乱作用素 $\mathbb{T}_{\alpha\beta\gamma\dots}$ を、単一体の $\mathbb{T}_i$ 演算子と背景グリーン関数 $\mathbb{G}_b$ の無限級数として表現する。
• 空気中の放射熱伝達について、マクロスコピックな誘電体対比モデルとマイクロスコピックな気体粒子散乱モデルを比較する。
• 希薄な媒質におけるエネルギー伝達について、気体動力学理論と比較することで結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非吸収性背景媒質の存在が、複数の物体間の放射熱伝達にどのように影響を与えるか？
• RQ2 背景媒質に埋め込まれたN体系において、熱伝達の一般閉形式表現を導出できるか？
• RQ3 このような系において、熱伝達の対称性と正定性が成り立つのか。また、これを厳密に証明できるか？
• RQ4 マクロスコピックな誘電体モデルとマイクロスコピックな粒子モデルは、気体における放射熱伝達についてどの程度同等の結果をもたらすか？
• RQ5 空気のような媒質における放射熱伝達は、気体動力学理論の予測とどのように比較できるか？

主な発見

• 非吸収性背景媒質の存在は、球体からの熱放射および二枚の平行平板間の熱伝達を顕著に増幅する。
• 導出された形式的枠組みにより、再帰的原理を用いて、非吸収性の被動的背景媒質に埋め込まれた任意のN体系における熱伝達の対称性と正定性が証明される。
• 空気のような気体では、マクロスコピックな誘電体モデルとマイクロスコピックな気体粒子モデルが、放射熱伝達において同一の結果をもたらす。
• 空気のような媒質を通じた放射熱伝達は、気体動力学理論によるエネルギー伝達予測と定量的に整合する。
• N個の物体に対する一般化された $\mathbb{T}$-行列展開は、添字の置換に対して対称的であり、形式的枠組みの物理的整合性を確認する。
• 従来の真空中の理論を背景媒質を含むものに拡張し、近接場および遠方場における熱伝達の増幅に関する新たな知見を可能にする。