以太阳能多孔吸热器等热利用系统为研究背景, 针对多孔层表面的红外测温问题, 基于反向蒙特卡罗法建立了三维非等温各向异性散射多孔层的红外测温模型, 讨论了散射类型、多孔层厚度、基材发射率、孔隙率、孔径等物理性质和结构参数对红外测温误差的影响, 提出了一种多孔层表面温度的反向计算方法。结果表明, 将红外温度的实验测量值视作多孔表面温度会导致一定误差; 后向散射可削弱高温背景辐射, 从而减小探测温度较高时的误差, 但增大了探测温度较低时的误差; 高孔隙率(大于0.93)会造成测温误差迅速增大; 测温误差小于2%时的参数范围如下：多孔层厚度为14~27 mm, 基材发射率为0.33~0.81, 孔隙率为0.86~0.93, 孔径为1.5~2.8 mm。

实验测量了不同厚度的泡沫镍在0.4~2.2 μm波长的法向-半球反射率/透射率，采用蒙特卡罗法对泡沫镍的计算机断层扫描结构进行孔隙尺度辐射传输建模，对比研究了泡沫镍辐射特性随入射光谱和样品厚度的变化，计算得到了泡沫镍辐射特性的孔隙尺度分布特征。结果表明：所建立的泡沫镍孔隙尺度辐射传输模型在计算其光谱辐射特性方面具有正确性。波长增长，吸收率逐渐降低，反射率逐渐升高；样品厚度增加，吸收率逐渐升高并趋于稳定，透射率逐渐降低至0。孔隙尺度辐射特性分布强烈依赖于局部纹理结构，波长1.5 μm时，泡沫孔隙中的平均吸收率是肋筋上的1.5倍，而肋筋上的平均反射率则达到孔隙中平均反射率的3.7倍。

利用计算机断层扫描技术获取了泡沫镍的重建结构，将蒙特卡罗法与八叉树算法结合进行泡沫镍孔尺度辐射传递建模，分析了八叉树算法对辐射传递计算的加速作用。结果表明，采用八叉树算法的辐射特性计算值与未采用时相比，最大相对误差小于1‰。在最优空间深度范围内，空间深度越大和模型面元越多，计算的加速效果越明显。

针对含粒子参与性介质内红外辐射传输与光谱特性开展了数值方法研究.推导了辐射传输方程的球谐函数(PN -Approximation)分解形式，建立了求解非线性各向异性散射介质内红外传输的任意阶PN方法.基于辐射—导热耦合换热模型，通过已有理论解验证了高阶PN方法的计算精度.经验证，对于非线性各向异性散射问题，文章建立的任意阶PN方法的计算精度非常高，对高阶散射相函数处理地十分简便，该方法对含气溶胶大气的红外传输问题计算非常适合.最后计算了2~5 μm含气溶胶大气红外辐射传输特性，研究了各向异性散射对大气红外传输特性的影响.研究结果表明： 非线性各向异性散射对于大气红外光谱辐射强度起到了削弱作用；同时对于强吸收谱带，散射也会削弱方向辐射强度.

基于非傅里叶热传导方程，采用复变函数与保角映射方法，研究了半无限板条结构中任意形亚表面缺陷的热波的多重散射问题，给出了热波散射问题的一般解.温度波由调制光束在材料表面激发，缺陷表面的边界条件为绝热.分析了结构几何和物理参数对热波散射与温度分布的影响，并给出了温度变化的数值结果.分析方法和数值结果可为工程材料结构的热传导分析、热波成像、物理反问题和材料内部缺陷评估等提供理论基础和参考数据.

半透明介质的相变传热必须考虑介质内红外热辐射传输的影响.研究了二维矩形吸收、发射、各向同性散射性半透明介质的凝固过程.假设凝固发生在某一温度区间, 因此须考虑液、糊、固三个区域.采用有限体积法求解基于焓的能量方程, 蒙特卡洛法求解红外热辐射传输.一维相变导热、二维瞬态红外热辐射与导热耦合换热的结果与文献进行了比较, 吻合较好.分析了衰减系数、折射率、导热—辐射参数、潜热等参数对温度、液相率分布的影响.研究表明一些热光学特性参数对半透明介质的凝固过程有显著影响.

分析了Al2O3粒子在喷焰内流动冷却过程中不同相态对其光学性质的影响,重点研究凝固过程中三种相态(液态、γ相、α)Al2O3粒子的吸收指数随相态的变化关系,考虑了紫外到近红外光谱范围内,Al2O3粒子的不同辐射机制.基于Drude模型所得到的氧化铝粒子不同相态吸收指数的计算模型建立了描述Al2O3粒子相变过程紫外与可见光辐射特性数学计算模型.通过与实验数据的对比分析表明,本模型是可行的.在此基础上,分析了不同相态Al2O3粒子辐射特性随温度和波长的变化关系.

极端条件下的传热问题是工程热物理研究中的重要课题。基于非傅里叶热传导定律,采用波函数展开法,研究了含圆柱缺陷非透明体中热波散射问题。基于热传导波动模型给出了物体中热波多重散射问题的一般解。温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热。具体分析了几何参量、各物理参量对温度分布的影响,特别分析了热波波长对温度变化的作用,并给出了温度变化的数值结果。研究结果可望为红外辐射技术、热波成像等问题的分析提供理论基础和参考数据。在检测金属材料缺陷空间分布的激光热波探测系统中应用。

对表面光滑、基底面漫射的吸收-散射性半透明涂层,通过建立入射光谱的辐射传递模型,采用蒙特卡罗法求解分析了涂层光学厚度、介质散射及基底面反射对涂层表面双向反射特性的影响.结果表明,即使在不考虑涂层表面Fresnel反射的条件下,吸收-散射性半透明涂层的反射也呈现明显的各向异性,其BRDF分布与吸收性半透明涂层的BRDF特性有明显差别.

将蒙特卡罗法和弯曲光线跟踪技术相结合,研究了各向异性散射性梯度折射率半透明介质层的发射特性.介质层具有镜反射半透明表面和漫射基底面.重点分析了散射反照率和散射相函数对介质层表观方向发射率和表现半球发射率的影响.结果表明对于线性折射率分布的介质层,当散射较为强烈时,表观半球发射率可随介质层光学厚度增大而减小,这种现象与以往研究的半透明体的情况有显著的不同.