半透明介质相变过程广泛存在于能源利用、材料加工、航空航天等领域,如太阳能热化学反应、液滴燃料燃烧、等离子喷涂、导弹尾喷焰粒子辐射、飞行器热防护、光纤制备等等。半透明介质相变过程是一个强非线性的,复杂的多场耦合问题,涉及辐射导热耦合作用、热光效应、相变潜热的吸收和释放、相变界面的移动,还可能涉及材料体积膨胀、收缩及大变形等现象。分析相变过程中这些效应和行为机制对相关工程应用具有重要意义。本文围绕半透明介质相变过程光热特性和容积变化问题,从算法实现、特性规律、实验研究等几个方面展开研究。主要目的是建立相变过程光热特性和容积变化的数理模型,发展一套适合模拟固液相变问题的辐射-导热-相变一体化算法,通过数值模拟和实验,研究相变过程中光热特性和容差特性规律,为实际应用提供支撑。在算法实现方面,首先基于等效热容法形式的能量方程,结合辐射传输方程,建立了半透明介质相变过程光热特性的数理模型,给出处理相变潜热的等效热容法修正方案;从无网格再生核粒子法(RKPM)的基本理论出发,根据再生条件获得核函数修正函数的系数,构造能量方程和辐射传输方程的配点型RKPM离散格式,发展了多维均匀折射率介质辐射导热耦合RKPM算法,给出了在RKPM算法中辐射、热边界条件的施加方案;针对辐射场求解过程中施加Dirichlet边界条件的困难,根据能量平衡原则,通过边界布置虚拟粒子来处理辐射传递过程,给出了多维半透明、不透明辐射边界条件的RKPM离散格式;进一步,考虑到介质光学特性参数会随温度、相态、空间位置变化,进而影响能量传递过程,基于梯度折射率辐射传输方程,采用一阶差分处理角度再分配项,采用RKPM直接离散折射率梯度项,建立了变折射率介质RKPM算法;为探讨球形粒子在相变过程中的热量传递过程,建立了球坐标系下的RKPM辐射导热耦合算法,基于解析解和数值算例对上述算法的精度和有效性进行分析;最后,针对固液相变过程中材料体积膨胀和收缩问题,根据密度变化,对RKPM粒子支持域和空间位置进行再分配,给出了考虑介质体积变化的RKPM处理方案,实现了RKPM框架下辐射-导热-相变一体化算法。在半透明介质相变过程光热特性规律研究方面,论文重点开展了辐射导热耦合作用以及热光效应对相变进程的影响机制分析;通过对角域和三维凝固问题的模拟,研究了相变传热过程中的辐射导热耦合作用,分析了多维RKPM一体化算法的误差和收敛性,考察了各种热物性参数、热边界条件对介质相变进程中的温度、相变界面、液相率、辐射热流等参数的影响;对定温相变过程和非定温相变过程热光效应的影响进行了模拟,重点讨论介质折射率随空间变化对凝固过程的影响;针对轻水反应堆中熔融燃料与冷却剂的相互作用问题,模拟了毫米级尺寸的Corium和Alumina球形颗粒在水蒸气中的凝固过程,分析了Corium粒子吸收系数变化以及Alumina粒子光学常数随温度和光谱变化引起的热光效应对相变传热过程的影响。在半透明介质相变过程容差特性规律与应用研究方面,重点围绕低熔点烷烃材料相变过程容积变化影响因素、规律特性开展了理论和实验研究。论文首先通过正十八烷的熔化/凝固过程数值模拟和红外辐射诱发熔化实验,分析了体积变化对正十八烷相变过程的影响;进而设计了单向凝固实验装置,对考虑容积变化的RKPM算法进行了验证,初步分析了典型烷烃凝固过程的体积收缩规律;同时基于单向熔化实验装置,研究了不同压力、加热表面温度下烷烃的熔化过程,分析斯忒藩数和压力对熔化液膜热流密度的影响。搭建了固液相变容积变化的水浴测量装置,对常见低熔点烷烃类材料固液相变容差规律进行循环实验研究,获得了单一烷烃和二元混合烷烃在定温和变温水浴条件下总体积变化率的时间特性数据。为改善烷烃材料传热特性,制备了烷烃/膨胀石墨复合相变材料,进一步研究复合相变材料传热特性和体积变化规律。最后,论文对相变过程容差效应在能量储存和转换中的应用进行了探讨,对相变容差驱动发电系统关键部件——相变换热器的传热周期性进行了分析,获得了连续驱动发电条件下交替工作的相变换热器内工质熔化/凝固时间的匹配原则。设计了正十六烷相变容差驱动发电储能回路的原理验证样机,对相变蓄能过程进行实验研究,分析获得了不同换热条件、预充压力变化对蓄能器蓄能过程的影响,为相变容差驱动发电或做功提供设计依据。