椭球面反射几何光学及SiC样品温度场的COMSOL模拟.docVIP

椭球面反射几何光学及SiC圆盘温度场的COMSOL模拟 去年，我们在接到清华大学电子工程系为 几何建模的难点在于建立COMSOL可接受运行格式的椭圆面参数方程，一般常见的椭圆参数方程是：椭圆长半轴a=8cm，短半轴b=6cm，半焦距c=f ---- 需要选对参数，设，把方程改写为b*s；a*sqrt(1-s^2)，再填入工作面-面几何中 3.几何光学（射线追踪） 椭球面反射的重要特征是两个焦点为一对光学共轭点：由第一焦点发出后投射到椭球面上的任一光线，经反射都必定通过它的第二焦点，且因为光程差恒等，没有球差。这是我们利用椭球面作为RTP灯源反光镜的设计基础。将两盏灯对称的放置在相对的两个椭球面的第一焦点，样品放置在它们公共的第二焦点处，样品正反两面同时接受来自相向方向反射光的辐照，我们在COMSOLOpticsRay OpticsGeometrical Optics (gop).及Preset StudiesRay Tracing模拟这一射线追迹过程。 读者可在COMSOL案例Ray_Optics_Module/Industrial_Models/solar_dish_receiver里，了解程序的具体操作格式。不同的那里是太阳平行光入射抛物面。在RTP的“受照面COMSOL在此并没有类似面光源，线光源的选择，暂且将卤钨灯的光点近似替代为点光源的光点。 源功率选为500瓦-1000瓦范围。反射系数使用吸收系数：0.1. 如图3所示，我们在第二焦点（z=0）获得样品表面入射热通量的圆对称分布，样品中心为暗场，通过调节程序中壁2（wall2)-沉积射线功率（Deposited Ray Power）单元，将累积变量平滑半径由0.0112m调小为0.0065m,计算结果发生很大改变，圆盘中心随之变为高通量区，如图4所示： 4.固体传热 通过在模型--更多窗口--增加物理场及增加研究，在模型开发器开辟第二物理场和第二研究单元: Heat TransferHeat Transfer in Solids (ht)，Preset Studies Time dependent，1）Heat_Transfer_Module/Thermal_Radiation/parallel_plates_diffuse_specularRay_Optics_Module/Industrial_Models/michelson_interferometer_thermal 了解程序的具体操作格式。关键的一步是将上述几何光学数据结果，图4的热通量径向分布拟合为解析函数，才能输入固体传热物理界面的热通量表达式。我们利用Mathematica软件完成这一数学过程。图5对拟合解析函数曲线与图4的热通量数据点集曲线做了对比。 同时所以我们在第二物理场的热传导模拟是以第一物理场几何光学的结果为依据的。 结果表明椭球曲面反射具有极好的光会聚性能，均匀性相比较而言略差一些。样品圆盘中心区比盘边缘有80K/2400K的低落，需要在工艺或材料上做相应补救。 我们参考了COMSOL材料库里SiC的物理参量数据，选择: SiC(6H)-Silicon carbide:常压热容 690 [J/(kg*K)]，密度3216 [kg/m*3] 导热系数490[W/m*K]*(300[K]/T)。本文表面发射率取1，参考网上查到的数值，当取0.9时，计算结果显示温区落在2561K至2481K之间，当取0.73时，显示温区落在2697K至2616K之间，发射系数降低有利温度提升，但温度径向均匀性没有变化。考虑到SiC热导率是随温升而下降的，所以比较保守的估计，此款RTP5秒内温度值达到1000K是有保证的。 感谢百度文库，小木虫，道客巴巴，感谢清华大学电子工程系，