孔隙尺度下仿生等级孔的相干散射判据建立及光谱辐射传输机制的研究
批准号:
52076064
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
王富强
依托单位:
学科分类:
可再生能源与新能源转化利用
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王富强
中文摘要
具有变孔径、三维微纳米跨尺度贯通特征的仿生等级孔可解决太阳能热化学、光催化等领域中存在的高效光子捕获与组分快速扩散的双重需求问题。光谱辐射传输机制不明晰是制约准确分析仿生等级孔在太阳能领域中应用时的能量传输及转换过程的瓶颈问题。拟开展孔隙尺度下三维仿生等级孔光谱辐射传输的研究:1)显微扫描结合图像重构法搭建精细化仿生等级孔的孔隙结构模型,电磁理论计算结合数值分析和实验测试建立全面的、系统的仿生等级孔相干散射判据;2)构建元胞肋筋间远场和近场相干散射效应的表征方法,建立考虑元胞内相干散射的光谱辐射传输方程的修正模型,解决现有孔隙尺度下仿生等级孔光谱辐射传输研究方法存在的计算能力与计算精度无法兼容的矛盾;3)厘清孔隙尺度下仿生等级孔的光谱辐射传输机制,构建由孔结构、元胞几何特征、材料等参数预测其等效辐射特性参数的高精度计算关联式。研究成果可为准确预测仿生等级孔内的能量传输及转换过程奠定基础。
英文摘要
Biomimetic hieratical porous has the advantages of variable pore size and three-dimensional micro nano cross-scale penetration. Biomimetic hieratical porous medium can solve the dual demanding of high-efficiency sunlight capture and rapid component diffusion, which are encountered in solar thermochemical reaction and photocatalysis. The unclear spectral radiative transfer mechanism is the bottleneck thermal problem that restricts the accurately analysis of the energy transmission and transfer in biomimetic hieratical porous when it is utilized in solar applications. This study will carry out the research on the pore level spectral radiative transfer: 1) building a pore level structure model of biomimetic hieratical porous, establish a comprehensive and systematic coherent scattering criterion of biomimetic hieratical porous by electromagnetic theoretical calculation combined with numerical analysis and experimental test; 2) carry out the far-field and near-field coherent scattering between cellular ribs of biomimetic hieratical porous, and propose a modified model of classical radiative transfer equation with the consideration of coherent scattering based on the geometrical optics approximation, which can solve the contradiction between the calculation ability and the calculation accuracy of the existing research methods of pore level spectral radiative transfer of biomimetic hieratical porous; 3) clarify the pore level spectral radiative transfer mechanism of biomimetic hieratical porous, and predict the equivalent radiative characteristics of biomimetic hieratical porous using correlations with the consideration of pore structure, cell geometry and material. The above researches can provide theoretical fundamentals of accurately predicting the energy transmission and transfer in biomimetic hieratical porous.
具有变孔径、三维微纳米跨尺度贯通特征的仿生等级孔可解决太阳能热化学、光催化等领域中存在的高效光子捕获与组分快速扩散的双重需求问题。光谱辐射传输机制不明晰是制约准确分析仿生等级孔在太阳能领域中应用时的能量传输及转换过程的瓶颈问题。为此,本项目开展了孔隙尺度下仿生等级孔光谱辐射传输模型的构建及计算方法的研究,开发了考虑多尺度、相干散射、多频共振等效应的光谱辐射传输计算模型,相较于传统的基于非相干散射及单一孔径的理论计算模型,本项目模型将最大相对误差降低至8.82%,远低于传统方法造成的49.87%;本项目综合考虑了受背景介质吸收影响的多种微观电磁效应,提出了较为全面系统的相干散射判据,并结合现代电磁学方法提出了修正机制,以解决计算能力与精度之间的矛盾;本项目提出了一种结合宏观测量与孔隙尺度计算的创新方法,通过μ-CT技术重建仿生等级孔的三维微结构,并利用自建光学系统测试半透明型仿生等级孔片的光谱法向-半球透射率和反射率,解决了传统测量方法无法准确测量高孔隙率、变孔径、三维跨尺度仿生等级孔辐射特性的问题;本项目将仿生等级孔结构引入到太阳能热化学反应器设计中,通过仿生结构调控辐射传输,进而优化温度场,最终将反应转化率提升~10%。.申请人以第一/通讯作者发表在Light-Science & Applications、Nano Energy等期刊发表SCI检索论文22篇(第一标注18篇),入选ESI高被引论文2篇。研究成果被工业与信息化部官网报道,被《ACS Photonics》遴选为期刊封面文章并入选Year in Chemistry 2023。
受自然启发的辐射制冷技术的创新及其在可持续建筑中应用
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批准号:52211530089
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:10万元
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批准年份:2022
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负责人:王富强
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依托单位:
受自然启发的辐射制冷技术的创新及其在可持续建筑中应用
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批准号:--
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:--
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批准年份:2021
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负责人:王富强
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依托单位:
太阳能高温热化学转换过程中粒子系的光谱辐射传输机理及调控机制研究
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批准号:51676061
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2016
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负责人:王富强
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依托单位:
时空非线性强能流下聚集系统光热力场交互耦合机理与能流分布控制
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批准号:51406239
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:26.0万元
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批准年份:2014
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负责人:王富强
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依托单位:
国内基金
海外基金