[论文解读] 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 6

一句话总结

本论文基于涨落电动力学，为非吸收背景介质中的多体辐射传热构建了一个通用理论框架，证明了传热的对称性与正定性。研究发现，背景介质显著增强了球体的热辐射以及平行板之间的传热，且宏观与微观模型在空气等气体中得出的结果完全一致。

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.

研究动机与目标

• 将涨落电动力学扩展至嵌入在被动、非吸收背景介质中的N个任意物体系统。
• 利用互易性原理，严格证明此类系统中传热的对称性与正定性。
• 研究背景介质如何影响热辐射与传热，特别是对球体和平行板的影响。
• 比较宏观介电对比模型与基于气体粒子散射的微观模型在空气等介质中辐射传热的表现。
• 调和介质中辐射传热与动力学气体理论预测结果的一致性。

提出的方法

• 在非吸收背景介质存在下，利用涨落电动力学推导出热辐射与传热的闭式表达式。
• 应用互易性原理，严格证明N体系统中传热的对称性与正定性。
• 采用$$\mathbb{T}$-矩阵形式描述多个物体的复合散射算符，通过任意阶次的迭代展开实现。
• 将复合散射算符$\mathbb{T}_{\alpha\beta\gamma\dots}$表示为单个物体$\mathbb{T}_i$算符与背景格林函数$\mathbb{G}_b$的无限级数。
• 比较基于气体粒子散射的宏观介电对比模型与微观模型在空气等介质中辐射传热的表现。
• 通过与稀薄介质中动力学气体理论的能量传递预测对比，验证结果的正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非吸收背景介质的存在如何影响多个物体之间的辐射传热？
• RQ2 当嵌入背景介质中时，能否为N体系统中的传热推导出通用的闭式表达式？
• RQ3 此类系统中传热的对称性与正定性是否成立，能否严格证明？
• RQ4 宏观介电模型与微观粒子模型在气体中辐射传热方面在多大程度上给出等效结果？
• RQ5 介质如空气中的辐射传热与动力学气体理论的预测相比如何？

主要发现

• 非吸收背景介质的存在显著增强了球体的热辐射以及两块平行板之间的传热。
• 所推导的形式体系通过互易性原理，严格证明了在任意N体系统中，嵌入于被动、非吸收介质时，传热的对称性与正定性。
• 对于空气等气体，宏观介电模型与微观气体粒子模型在辐射传热方面得出完全一致的结果。
• 介质如空气中的辐射传热在定量上与动力学气体理论对能量传递的预测一致。
• N个物体的通用$$\mathbb{T}$-矩阵展开在指标置换下保持对称，证实了该形式体系的物理一致性。
• 该框架将先前基于真空的理论扩展至包含背景介质，为近场与远场传热增强提供了新见解。