定向熱輻射的案例
基于特殊Epsilon微腔的定向輻射冷卻
來源 | ACS Nano
01
背景介紹
黑體輻射具有高度不對稱的連續光譜，完全依賴于表面溫度，導致在頻率或動量域塑造熱發射光譜一度被認為是難以捉摸的任務。納米光子學的進步，使熱發射在動量域和頻率域的調節成為可能。由于設計原理的復雜性，角度選擇熱發射比波長選擇熱發射更具挑戰性。早期試圖將熱發射轉向某一方向的嘗試僅限于窄光譜或特定極化，導致當在整個光譜中平均時，它們的角選擇性變得適中，因此它們的平均(8?14 μm)發射率(εave)和角選擇性是名義的。因此尚未報道實質性的定向輻射冷卻效應。此外，定向熱發射器或輻射冷卻器的實際用途仍然不清楚。
02
成果掠影
近期，華中科技大學胡潤副教授、韓國慶熙大學Eungkyu Lee和Sun-Kyung Kim教授團隊制備了一種寬帶定向輻射冷卻器，在p和s極化中都具有高振幅側發射。采用貝葉斯優化方法對其多維結構的變量進行優化，使目標光譜中的角選擇性和總半球發射率εT達到最大。用標準半導體工藝精確制造了該結構。利用能量-動量色散揭示了定向發射的基本物理原理，定向發射在多個特殊的epsilon波長處達到峰值。作者發現，由于溫室效應，全方位熱發射器在封閉系統中可能無效。相比之下，該研究團隊開發的側發射熱發射器即使在封閉系統中也能保持冷卻性能。此外，它還可以為靠近光電器件的用戶提供熱舒適。
展開 熱輻射的輻射模型
熱的對流、傳導、輻射是熱量傳遞的三種方式，熱輻射是指物體通過電磁波來傳遞能量（熱量，其實就是溫度的高低）。說人話就是物體放在那里就會通過輻射傳遞熱量，當然一般我們見到的都是兩種或者三種方式的熱量傳遞過程。其實很好區分，對流和傳導需要其它介質參與，而輻射只需要那個物體在就會進行輻射。 理解完輻射，來說輻射模型，既然有了輻射這種現象，我們如何描述空間種能量輻射的過程？對，輻射模型就是做這個的。 tip：做仿真的時候我們也會注意到這樣一個問題，我們需要設置介質，一個原因是往往是多個物理現象，另一個根本原因是不同介質的性質不同，參與輻射時的吸收率、散射系數、折射率都不相同。
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abaqus輻射熱分析，面與面之間的輻射。
水壺的傳熱分析（熱傳導+熱對流+熱輻射） ￥5
分享一個通過ABAQUS做的水壺的傳熱分析，包含熱傳遞的三種方式：熱傳導+熱對流+熱輻射。
方法教程來自于外網，附件是自己根據教程練習時建的cae模型，供參考。
熱傳導是熱能從高溫向低溫部分轉移的過程；熱對流是熱量通過流動介質傳遞的過程；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象。
【材料】鋼/陶瓷
【網格】DC3D10
【接觸】
茶壺和蓋子之間的傳導
2.對流
3.熱輻射
【設置絕對零度+Stefan-Boltzmann常數】
【邊界條件】
【預定義溫度場】
【后處理】
展開 
一種定向排列的三維氮化硼聚合物復合熱界面材料
來源 |
Journal of Colloid And Interface Science
01
背景介紹
隨著第五代通信、大功率集成芯片和鋰離子電池的發展，對散熱提出了更高的要求，促使對導熱絕緣熱界面材料(TIMs)的需求快速增長。高分子材料以其優異的可加工性、重量輕、成本低等特點受到人們的青睞。然而，聚合物的固有熱導率通常很低(0.1 ~ 0.5 W/mK)。采用具有高導熱性的填充材料是一種直接有效的策略，可以顯著提高聚合物的導熱性。
六方氮化硼(BN)是一種二維片層陶瓷材料，其面內導熱系數約為300 W/mK，面外導熱系數為30 W/mK。良好的電絕緣性使BN在電子設備的熱管理應用中具有獨特的優勢。然而，由于填料與聚合物基體之間存在較大的界面熱阻，采用傳統的直接共混方法得到的填料/聚合物復合材料的導熱系數通常不理想。在聚合物復合材料中構建三維連續導熱填充網絡已被證明是降低界面熱阻和促進聲子快速傳輸的有效策略，已受到廣泛關注。
此外，BN在整個聚合物中的垂直排列可以進一步充分利用BN良好的面內導熱性，使復合材料的縱向導熱性顯著增強，以滿足TIMs高效垂直散熱的需求。已經開發了各種方法來實現填料的垂直對齊，例如3D打印，外場控制，冰模板法等。通過定向凍結，填料沿著冰晶生長方向排列，形成三維互聯的垂直排列骨架，顯著增強了復合材料的導熱性。因此，開發一種更簡單、更具成本效益的冰模板工藝來實現BN的遠距離垂直有序排列，從而促進高性能TIMs的規模化生產是非常必要的。
展開 通過靜電植絨輔助定向氮化硼片提高熱界面材料的導熱性
來源 | Ceramics International
01
背景介紹
隨著現代電子產品逐漸向小型化、集成化、大功率化的方向發展，高導熱的柔性熱界面材料受到了人們的廣泛關注。但是，由于熱源和散熱器之間的間隙被空氣占據，而空氣的導熱系數非常低，導致熱量不能及時散出。因此需要使用熱界面材料(TIM)填充微間隙，TIMs基于聚合物樹脂，通過引入導熱料優化導熱系數。
六方氮化硼(h-BN)它具有層狀結構，在平面方向上具有較高的導熱系數(600 W/m K)，而在垂直方向上具有較低的導熱系數(30 W/mK)。此外，它還具有優異的熱穩定性和化學穩定性。這種穩定性使得BN很難與其他物質發生反應。一些研究者為了增強了聚合物基體與填料之間的界面傳熱，改善了聚合物復合材料的填料分散性，降低了界面聲子損失。然而，這些對BN的表面修飾需要大量的化學物質，這促使研究人員通過改變BN的結構的方法來提高導熱性。
近年來，靜電植絨技術被應用于制備熱界面材料，在此基礎上，提出了一種新的策略，通過靜電植絨方法使BN納米片在柔性環氧基中有序排列，搭建傳熱通道。與機械混合法制備的隨機分布的氮化硼填充復合材料相比，垂直取向的氮化硼填充復合材料可以增強材料的導熱性能。
02
成果掠影
近期，中山大學化學工程與技術學院陳振興教授團隊通過靜電植絨的方法改善氮化硼納米片的排列結構從而優化材料的導熱性能取得新進展。靜電植絨組裝策略在幾個連續的層中構建了整齊排列的BN結構網絡，從而提高了復合材料的導熱系數。研究了不同h-BN用量對BN/環氧復合材料導熱性能的影響。
展開 ABAQUS培訓案例之熱分析-熱輻射
圖1模型示意圖
今天給大家分享的是熱輻射分析。如圖1所示，模型由2個part組成，一個是fin，其周期對稱性在設置輻射換熱時可以設置，另一個代表周邊環境的ambient。模型先進行了穩態分析，然后建立2個瞬態分析步，實現環境溫度為800時對fin加熱的過程，和環境溫度38時fin部件的冷卻過程。當然除了ambient和fin的輻射換熱，ambient和fin也分別建立了Surface film condition換熱。下面詳解每個步驟的設置。
目標：輻射換熱與對流換熱設置，cavity radiation應用。
材料：材料參數定義了Density為7800，Conductivity和SpecificHeat分別為50和500（SI單位制）。
分析步設置：本案例設置了三個分析步，step-1為熱穩態分析步，step-2和step-3為瞬態分析步，如下圖所示。歷史輸出設置output三個節點的溫度輸出。
圖2 分析步設置
相互作用設置：定義了三個換熱條件，設置bot面換熱系數Surfacefilm condition為2500，熱沉溫度100，srfs面換熱系數Surface film condition為10，step-1熱沉溫度38，step-2時為800，step-3時改為38。設置srfs和samb之間的輻射換熱Cavity radiation，發射系數為0.8和1，并設置Symmetry對稱，如下圖所示。
圖3 換熱設置
邊界條件：設置所有區域初始溫度為77，ambient的溫度step-1時38，step-2時為800（加熱過程），step-3時改為38（冷卻過程）。
展開 利用像素化非成像光學原理實現定向熱發射和顯示
03
圖文導讀
圖1 偏振無關的寬帶熱輻射方向性控制
圖2 微米級非成像光學陣列及其發射譜
圖3 熱成像下的像素化定向微型熱發射器（PDME）
圖4 定向紅外顯示與偽裝
一種用于定向垂直碳纖維基復合熱界面材料的制備技術
具有優異的柔性和延展性的熱界面材料(TIM)通常用于連接電子元件和散熱器之間的間隙，以最小化電子元件與散熱器之間的接觸熱阻，并提高導熱性。但是，聚合物的固有導熱系數(Tc)非常低，這意味著聚合物不能滿足大功率電子元件散熱的高導熱要求。
為了提高材料的熱導率，通常在基體中引入具有高熱導率的導熱填料。碳纖維(CF)擁有沿一維(1D)方向的高導熱系數為1100 W/(mK)，被認為是制造高性能TIM的有前途的填料。然而，CF的導熱性是各向異性的，并且有報道稱，瀝青基的CF沿軸向的導熱系數大于1100 W/(mK)但沿徑向小于10 W/(mK)。隨機填充CFs制備的TIM沒有很好的導熱表現。
考慮各向異性CF的導熱性，取向是一種有效的策略要獲得高導熱性，目前定向的技術包括化學氣相沉積生長，磁場，三維(3D)打印，冷凍干燥，靜電紡絲和應力誘導等已經發展起來。然而，甚至在定向之后導熱系數仍然不理想，這可能是由于使用CF作為單獨的填料未能形成有效的熱傳導網絡。進一步添加額外的填充物是一種有效的策略。然而，大多數定向技術高度依賴于特定的儀器，難以大規模制備。因此開發出適合大規模生產的定向技術是非常重要的。
02
成果掠影
近期，河北工業大學鄧齊波教授，天津理工大學趙云峰教授和蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強團隊聯合在制備具有高導熱率的復合材料取得新進展。
文中提出了一種用各種定向CF制備TIM的簡便方法，這種方法的靈感來自于一個簡單的“搟餅”過程。本研究首次制備了聚二甲基硅氧烷(PDMS)/短碳纖維(SCFs)/Al球形顆粒(PDMS/SCFs/Al)復合材料。
展開 一種間歇放熱相變材料，可用于地板輻射采暖系統的熱管理
圖4是將水合鹽凝膠應用于地板輻射采暖系統中，實現了四種間歇放熱。結果表明，水合鹽凝膠在地板輻射采暖系統中具有廣闊的應用前景。
圖 4 a)地板輻射采暖系統試驗模型。b)地板下輻射采暖系統配置：1)裝飾層(木地板)；
2）相變材料管道（水合鹽凝膠的三條平行管道），3）硅橡膠加熱片，4）保溫層（玻璃纖維保溫板），5)混凝土板。地板輻射采暖系統中3條并聯相變材料管線可實現4種不同的間歇放熱順序：一次放出全部熱量（c1）；連續放出間歇熱（間歇熱放出三次）（d1）；間歇放熱兩次(e1, f1)。不同顏色的管道代表不同的放熱時間，放熱過程的順序由顏色表示（顏色較淺表示在顏色較深之前放熱）。間歇性放熱是通過用浸水剪刀切割黑色部分（稱為閥門）來實現的。c2, d2, e2, f2)四個序列對應的模型溫度曲線。
END
★ 平臺聲明
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展開 實心球熱輻射分析
1.問題描述
一個直徑為1m、初始溫度為2000K的金屬實心球體在300K的環境中（假設沒有對流換熱）熱輻射降溫的過程。考慮到球的對稱性，可將其簡化為軸對稱模型進行分析，也可采用實體模型進行分析。本文中采用實體模型進行熱輻射分析。
2.有限元解
2.1.絕對零度和斯蒂芬~玻爾茲曼常數設置
絕對零度設為0；斯蒂芬~玻爾茲曼常數設為5.67E-8W/(m2·K4)。
2.2.材料定義
該分析中采用國際單位制，各材料參數如下：密度7850kg/m3；導熱系數60.64W/(m·K)；比熱容460J/(kg·K)。
2.3.分析步設置
定義瞬態傳熱分析步，分析步時間為36000s。初始增量步設為0.1，最小增量步設為0.001，最大增量步設為100，最大增量步數設為1000。每個增量步所允許的溫度的最大變化設為50。
2.4.輻射率及環境溫度設置
輻射率設為1，環境溫度設為300K。
2.5.實心球初始溫度場設置
設置實心球體的初始溫度場為2000K。
2.6.網格劃分
低階熱傳導單元（DC3D8）。
2.7.溫度分布仿真結果
實心球球心溫度為501.8K，實心球表面溫度為489.8K。
來源：DeepFEA
展開 
ANSYS Workbench Mechanical 熱輻射傳熱分析方法操作
在workbench中，可以進行熱輻射分析計算的Mechanical模塊主要有穩態/瞬態耦合場、穩態/瞬態熱等，其工程圖如圖 1所示。各個模塊的輻射傳熱設置非常相近，接下來以穩態熱模塊演示一個簡單熱輻射案例。
圖 1 能夠進行熱輻射計算的Mechanical模塊
現有一幾何模型如圖 2所示，由一個圓臺筒和位于圓臺筒中心的小圓柱體組成。其中，小圓柱的側面是溫度為700℃的熱邊界；所有表面均可產生熱輻射，熱輻射率為0.7；環境溫度為4K。
圖 2 穩態熱模塊熱輻射計算演示案例幾何模型
1 設定傳熱邊界條件
首先設定輻射傳熱條件。在steady-state thermal項目樹下添加“radiation”分支。
在設置框中選定對應的輻射面。
在Correlation選項中可以選擇輻射至環境和面到面輻射，其中輻射至環境指的是所有面產生的輻射均輻射至環境，不會產生面和面之間的輻射；面到面輻射則考慮實體面之間的輻射，不在面和面之間的輻射依然默認為輻射至環境中，該選項需要計算所有輻射面上單元面的角系數，在工作目錄生成角系數文件。本案例考慮面到面之間的輻射，選擇為“surface to surface”。
設定輻射率，此處設定為0.7。設定環境溫度，此處設定為-269.15℃。默認輻射空間序號為1，如果在計算過程中添加了多個“radiation”分支，不同分支之間輻射空間序號相同部分會放到一個空間內進行計算，序號不同的部分則不會有輻射關聯。此處輻射空間序號的設置并沒有什么限制，同一個輻射空間的保證為同一個序號，不同輻射空間的保證為不同序號即可。
圖 3 穩態熱模塊輻射傳熱分支設置
設置完輻射傳熱邊界條件后，再設定其他熱邊界條件。
展開 ansys輻射熱傳遞綜合實例
輻射熱傳遞綜合實例 ，并附有表面效應單元的使用 ，PPT+命令流（帶注釋）
輻射熱傳遞.part1.rar
輻射熱傳遞.part2.rar
ANSYS workbench圓環輻射熱分析 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
你會得到什么：
1、學習圓環的三維模型處理
2、學習圓環輻射熱分析步的建立
3、學習圓環輻射熱分析的載荷施加
4、學習圓環輻射熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 圓環輻射熱分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
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【AICFD案例操作】冷熱板輻射仿真分析
圖5-2 結果更新
3）可視化結果
① 溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數溫度，設置等級參數256，點擊應用，讀取冷熱板區域溫度云圖。
圖5-3 溫度云圖
② 輻射云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數輻射強度，設置等級參數256，點擊應用，讀取冷熱板區域輻射強度云圖。
圖5-4 輻射云圖
