基于熵理论的辐射换热数值计算误差研究

作为能量和信息传递的一种方式，辐射换热近年来在民用和军用高新技术领域得到了广泛的发展和应用。特别是随着计算机技术和计算科学的发展，辐射换热计算方法的精度在航空航天、生物医学、大气辐射传输等领域内已成为令人关注的问题，辐射换热数值计算误差的理论分析方法及抑制方法是未来计算热辐射学的重点研究领域。本项目研究辐射换热数值计算的共性问题，综合运用热力学第二定律的确定性熵产理论及信息论中概率统计性信息熵理论，建立一种创新的研究辐射换热数值计算误差的方法。在构建基准模型和选定基准解的基础上，借助熵理论建立度量误差的模型，通过数值模拟分析各种因素对数值计算误差的影响，并考察误差的分布特性。在此基础上，探索提高数值计算精度的途径，并用具体的科学与工程实例来验证，从而为实现辐射换热的高性能计算提供理论依据。本项目研究紧跟国际学术前沿，密切结合应用，具有重要的理论意义和工程应用价值。

本项目针对航空航天、可再生能源和超材料等领域内辐射换热数值计算的精度问题，综合运用热力学中确定性熵产理论及信息论中概率统计性信息熵理论，建立一种创新的研究辐射换热数值计算误差的方法。项目完成了计划任务书规定的研究任务，达到了预期目标。在构建基准模型和选定基准解的基础上，采用熵理论建立度量误差的模型，通过数值模拟分析各种因素对数值计算误差的影响。构建了描述有限体积法（FVM）数值求解辐射传输方程（RTE）离散误差的熵产指示因子，该方法与以往研究中选用的基于温度场定义的误差指示因子相比具有更好的适用性。基于信息熵理论，将RTE求解的温升值划分为3个尺度构建信息熵，定义了辐射换热数值求解的不确定度，信息熵作为RTE算法不确定度的指示因子可以综合的评价FVM的计算误差。在激光倾斜入射人工基准模型的基础上，通过泰勒级数展开分析了FVM离散误差的成因，采用温升比较方法研究了FVM的空间离散误差，研究了网格数、空间差分格式、物性偏差对精度的影响，并对数值散射的分布特性进行了研究。运用熵产理论研究了经典传热与流动问题数值计算的精度与稳定性问题，用熵产计算的收敛特性作为判定依据，并以典型流动与传热问题为例验证了该方法的有效性，研究成果被国际同行引用并对相关领域的研究有借鉴作用。在探索提高数值计算精度的途径基础上，采用若干具体的科学与工程实例来验证。选用一维三层半透明介质耦合传热模型研究了光子晶体热控涂层在高超声速热防护结构中的传热特性；基于熵产公式和局部结构湍流水头损失系数的概念研究了微结构的流动损失特性；分析和比较了区域法、球谐函数法及热流密度法在核反应堆热辐射传输过程数值计算中的射线效应及其影响因素；建立二维准稳态液滴蒸发熵产模型研究低雷诺数空气来流正庚烷液滴蒸发过程；基于微纳米尺度能量传输理论对高温光子晶体材料进行了多尺度热电磁建模；基于热力学理论探讨仿生微结构湍流减阻机理；数值仿真高能激光辐照材料的烧蚀特性。项目与德国汉堡工业大学合作，紧跟国际学术前沿，为实现辐射换热的高性能计算提供理论依据。本项目正式发表论文15篇，应邀撰写国外学术专著1章；项目负责人获2011年度 ASME Journal of Heat Transfer 最佳论文评审人，2012年度中德学者短期合作交流项目赴德学者资助；培养硕士生7人，博士后1人；研究成果被SCI他引1次。