基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示：温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100 nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

基于辐射的温度测量方程的构造研究

基于辐射的温度测量方程，以采用选择不同的波长，不同的温度和不同的谱色（滤色片子以技术实现）等方法进行构造，依据这些方法获得的测量数据彼此之间线性无关，从而可以将被测物体发射率函数的具体形式和温度予以确定。     

发射率限定辐射测温原理

辐射测温技术随着辐射测量传感器技术的进步而不断进步,已经由单波长测温发展到多波长和多波段测温,由点温测量发展到二维甚至三维温度场测量。但是在辐射测温更精确反演方面,却很难克服因发射率未知性而引起的模型构建误差。发射率行为难以确定并极大地影响了测温精度,急需发展一种具有通用性,不受发射率具体行为限制,具有较高稳定性的辐射测温方法。双波长测温适用于发射率具有灰体行为的物体温度测量,一系列的发射率补偿算法和波长选择方法均未能很好地实现通用性测量,往往直接单色测量可能误差比比色法更小。多波长测温得到广泛应用,但并不是波长越多越好,发射率模型仍然具有较大局限性。提出了发射率直接限定算法和发射率松驰限定算法来反演温度。在发射率限定条件相同时,这两种方法是等价的。发射率松驰限定算法基于最小二乘算法和松驰因子进行真温求解。推导了松驰限定法的误差传递公式,发现在保证测量信号强度的前提下,λT越小温度误差越小;发射率行为对温度相对误差具有重要影响,在相同的λT条件下,发射率随波长变化越大,在限定区间上覆盖越均匀,测量误差越小。但从直接限定算法可以看出所测波长数越多,测量误差越小。两种方法均可以看出,减少限定区间长度也可以显著地提高测量精度。     

具有单调发射率表现的三波段温度测量方法

针对有限短波段内连续辐射物体的发射率通常具有单调性这个事实 ,提出波段辐射测量方法 ,即选择三个非相关波段构造测量方程。这种方法避免了单色辐射测量在技术实现上的难度 ,同时从理论上证明了具备求解温度的封闭完备性。在测量数据处理上 ,采用分量计算 ,使该方法在测量过程中无需标定 ,并且实现了真正意义上的非接触式的二维温度场的测量。     

基于牛顿迭代法高温光谱温度和发射率的反演研究

针对基于光谱数据进行温度与发射率分离过程中存在的n个方程包含n+1个未知数这一欠定问题,提出利用牛顿迭代法来实现材料表面真温及发射率的反演计算,通过给定温度和发射率初值,利用泰勒级数的线性项建立迭代公式,通过迭代得到温度和发射率的近似解。分别利用理论热辐射谱和腔黑体的实验数据进行验证,结果表明,任意给定温度和发射率初值均可获得与真实温度接近的计算温度值,相对误差小于0.09。发射率反演结果与真实发射率线形一致,当温度和发射率初值越接近真实温度和发射率时,发射率反演结果越精确。该方法消除了发射率假定模型限制,有望应用于高温及超高温下各种材料真实温度和光谱发射率研究。     

基于光谱发射率函数基形式不变的辐射测温技术

近年来,随着国防、工业、科技等领域飞速发展,无论是对于军用动力发射系统还是对于民用钢铁冶炼以及高科技新兴产业,辐射温度测量都具有重要意义。尤其在温度极高且伴随着瞬态测温(小于1 μs)需求的场合,多光谱辐射测温法被广泛运用。多光谱辐射测温法是通过选取被测目标多个特征波长,测量特征波长的辐射信息,再假设发射率与波长相关的数学模型,最终求解得到辐射温度。目前,利用该方法实际测温时,光谱发射率都采用固定的假设数学模型,而针对目标在不同温度状态下,该固定模型则无法进行自适应变化。同样,在不同温度下,如何解算最终的发射率和辐射温度也没有普适性的方法。基于普朗克黑体辐射定律,提出一种被测目标在不同温度下光谱发射率函数基形式不变的思想,简称发射率函数基形式不变法。通过该方法,发射率模型可以根据物体在不同温度状态下,函数系数动态改变来进行自适应变化。同时对于如何解算最终的发射率和辐射温度也相应提出了普适性的方法。通过大量仿真验证以及实际测量光谱辐射照度标准灯和溴钨灯温度实验,证明本文提出的方法比现有的光谱发射率处理方法更加简单实用并且能够有效地提高光谱发射率的计算精度,从而提高辐射温度测量精度。同时具有实用性好、应用广泛等特点。     

辐射测温中光谱发射率的表征描述

实际物体的光谱发射率表现复杂,给辐射测温的深入研究和实际应用带来了很多困难和不确定性,发射率问题即成为了辐射测温研究中的关键点。文章基于光谱发射率的泰勒多项式展开、波长的无量纲参数、弯曲度指数等分析,描述了谱色测温法中光谱发射率的数学表征,建立了窄波段内的光谱发射率通用函数形式。并通过对不同温度下几种金属的实际光谱发射率进行拟合分析,对此给予了实验上的验证,表明了所提出光谱发射率模型具有应用的适用性,该模型是谱色测温方法应用研究的基础。     

基于激光旋转加热的非导电材料高温光谱发射率测试方法与装置

光谱发射率是表征材料热物理性能的重要参数。对于非导电材料的高温光谱发射率测试,一般采用高温加热炉加热或辐射加热的方式来进行发射率测试,存在的问题是采用高温石墨炉加热时,样品可能会与高温石墨发生化学反应,从而破坏材料原有物性;采用辐射加热,一般是单向静止加热,会存在样品温场梯度非均匀分布的问题。基于激光旋转加热和样品/黑体整体一体化设计,提出了一种“样品动中测”的非导电材料高温光谱发射率测试新方法,建立了相应的测量模型,突破了传统的 “样品静中测”的局限,样品与参考黑体共形一体化设计,采用微区域光谱辐射成像方法,同时测量参考黑体和样品的光谱辐射能量与温度。建立了激光旋转加热状态下的热传导方程,对典型样品材料的温度分布进行了仿真计算,结果表明旋转样品温场分布较为均匀,分析了温场分布与红外光谱发射率测量误差间的关系,给出了适用于本测试方法的材料的热导率下限值。基于该方法,搭建了相应的测量装置,对典型材料碳化硅在1 000 K时的光谱发射率进行了测试,在4 μm处对各个典型高温温度点的光谱发射率进行了测试,得到了碳化硅材料在红外波段的光谱发射率波长变化和温度变化规律特性。与国外的测量结果进行了比对,结果较为一致,验证了激光旋转加热光谱发射率测试方法的可行性。采用此方法,不破坏样品本身的理化特性,样品加热升温速度快,测量温度范围上限高,有效减小了激光静止单向加热带来的温度不均匀性,可同时测量出样品和参考黑体的光谱辐射亮度及温度,无需另外再设计标准高温黑体,解决了现有非导电材料高温光谱发射率测试中非均匀加热和辐射能量同步比对测量的问题,可应用于多种非导电材料高温光谱发射率的测试。     

同时精确测量高温物体温度及发射率的系统

利用一种新的方法设计能够同时精确测量高温物体的温度及单色发射率的系统。该系统主要由光学系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。介绍了该系统的工作原理与结构,讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法,分析了测量波长的选择、扇形板关闭时的Ｌ１及开启时的Ｌ２的测量精度对单色发射率及温度测量精度的影响     

基于发射率模型约束的多光谱辐射真温反演法

温度测量是工业生产或科学实验中保证产品质量、降低生产成本和确保实验安全的重要因素之一。目前非接触的测温方法以辐射测温法为主,二次测量法是多光谱辐射测温中一种常用的方法。但是,二次测量法不适用于实时数据处理。针对此问题,基于多光谱亮度温度数学模型引入了发射率模型约束条件,提出了一种多光谱辐射真温快速反演法。对于非黑体,根据不同波长下的亮度温度的关系,得出当亮度温度在一个区间内是增函数或者常数函数时,发射率在该区间内是增函数;当亮度温度在一个区间内是减函数时,则发射率在该区间内满足一个关于发射率和波长的不等式。该发射率模型约束条件根据亮度温度的信息,将发射率假设值的构建由多类减少到一类,避免了不必要的发射率的构建。实验分别采用实际发射率随波长单调下降、单调上升、先下降再上升、先上升再下降和随机变化的具有代表性的五个被测目标,针对两个被测温度点进行了仿真对比分析。结果表明,与二次测量法相比,对于同一个被测目标,在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下,新算法在保证精度的情况下,不仅所得结果相同,而且处理速度提升了19.16%～43.45%。     

用修正三梯度法测量强流脉冲束时间分辨发射度

三梯度法是加速器发射度测量的一种常用方法,但在低能强流的加速器上,由于空间电荷效应很显著,常规的三梯度方法不再适用.修正三梯度法是常规三梯度法考虑空间电荷效应后的改进,本文描述了修正三梯度法用于强流脉冲电子束发射度测量的理论依据,介绍了修正三梯度方法的实验方案.在35MeV,26kA,～100ns和18MeV,26kA,～100ns的两种强流脉冲电子束进行了发射度的实际测量.文中给出了在两种电子束上分别获得的实验结果和误差分析.实验结果表明,修正三梯度方法是强流脉冲电子束发射度测量的一种有效的手段.     

ECR离子源束流发射度的实验研究

利用最新自行研制的电扫描发射度探测系统, 在ECR离子源上进行了一系列关于ECR离子源引出束流发射度的研究. 这套电扫描发射度探测系统安装在中国科学院近代物理研究所(兰州)的LECR3试验平台的束运线上. 试验中, 通过测量相关参数, 研究了磁场、微波、掺气效应及负偏压效应等对引出束流发射度的影响. 利用实验所得的结果与关于ECR等离子体和离子源束流发射度的半经验理论, 分析推导了离子源各可调参数与ECR等离子体的直接关系, 这为分析探索ECR离子源的工作机制提供了一定的参考依据.     

多次改变聚焦强度法测量束流发射度

就“多次改变聚焦强度法测量束流发射度”,讨论了测量技术和测量装置的优化,包括薄透镜近似的合理采用,多点最小二乘拟合,截面测量靶轴向位置的优化选择,和测量软件系统的改进等,以提高发射度测量的准确性和可靠性.已将上述优化技术,应用于BEPC直线加速器上新建和改建的发射度测量装置,获得了满意的测量结果     

电偏转扫描法测量高电荷态ECR源发射度

成功地研制了一套适合于低能离子束流发射度测量的电偏转扫描探测器.对该探测器的原理和结构作了较详细的描述,并给出该探测器对兰州近代物理研究所高电荷态ECR源LECR3引出离子束流发射度的测量结果.典型结果为:在引出高压为15.97kV,引出束流为190μA时,O⁴⁺水平发射度(x方向)为137πmm·mrad,垂直发射度(y方向)为120πmm·mrad(包括90%束流).最后,对测量结果作了一些分析和讨论.     

圆柱坐标系下任意方向辐射强度的源项六流法模拟

基于传统热流法,提出一种圆柱坐标系下的源项六流模型(Source Six Flux,SSF),可快速准确地计算参与性介质内任意方向的出射辐射强度.详细介绍SSF模型的基本原理和求解步骤,以圆柱形吸收、散射、发射性介质为例,模拟其沿任意方向的出射辐射强度,并与反向蒙特卡罗法(Backward Monte Carlo,BMC)和二流法(Two Flux Method,TFM)的计算结果进行比较.结果表明,SSF法与BMC法的计算结果吻合较好,计算精度均高于TFM法,但SSF法的计算效率明显优于BMC法.因此,SSF模型是一种适用于计算任意方向辐射强度问题的高效数值模型.     

用γ计数率的变化定位核元件的技术研究

用标准放射源进行模拟核材料库房监控实验,当放射源被转移出系统的时候,在不同位置探测了γ计数率变化,根据γ计数率变化的距离平方反比规律实现了被转移的放射源的定位,并估算了该放射源的源强.     

切伦科夫辐射“双成像法”测量电子束发射度

利用切伦科夫辐射,OTR或荧光靶等光学诊断方法进行发射度测量,国内外绝大部分实验是用CCD相机观测电子束打靶产生的光斑,变化四极透镜的磁场梯度,应用“三梯度法”计算出发射度.文中提出了一种新的“双成像法”测量方法,使切伦科夫辐射光通过一长焦距的消色差薄透镜,分别在焦平面和像平面获取图像.通过图像处理,前者可分析出电子束散角分布,后者可分析出电子束径向分布,从而直接得到均方根发射度.该方法对束流相空间和电荷密度分布无需假设,无需借助“三梯度法”,较其他常规测量方法具有实验装置更简便、测量精度更高和适用性更广等优点.文中给出了该测量方法对北京大学DC?SC光阴极注入器的发射度测量进行计算机模拟实验的结果和分析.     

High-Precision Direct Method for the Radiative Transfer Problems

It is the main aim of this paper to investigate the numerical methods of the radiative transfer equation.Using the five-point formula to approximate the differential part and the Simpson formula to substitute for integral part respectively, a new high-precision numerical scheme, which has 4-order local truncation error, is obtained. Subsequently,a numerical example for radiative transfer equation is carried out, and the calculation results show that the new numerical scheme is more accurate.     

模拟辐射传热的离散坐标法的改进

针对离散坐标法模拟求解炉内辐射换热的问题,在对辐射传递方程采用控制容积法离散时,按辐射方向上各界面之间的投影关系划分区域,对辐射传递方程在各子控制体上沿辐射传输方向进行积分,求解各子控制体的辐射强度,再取容积平均值作为最终节点的辐射强度的新离散坐标方法,定义为分段积分离散坐标法,并对三维矩型燃气炉内辐射换热进行了数值模拟,与传统离散坐标方法及区域法进行了比较,比较结果表明新离散坐标法较好的解决了假散射问题,提高了离散坐标法的精度.     

基于光源近场模型的LED光学扩展量测量方法

基于精确的LED光源近场模型,提出了一种LED光学扩展量测量方法.通过追迹LED近场光源模型中的光线数据,可获得LED光功率关于光学扩展量的关系曲线,直观反映出LED光源的光学扩展量特性和光能利用率等信息.以紫外曝光系统中的UV-LED阵列面光源为例,对三款不同型号的UV-LED进行了实际测量.通过测量得到的光学扩展量和光能利用率曲线,可以对UV-LED的光束质量作出判断,并为阵列面光源的优化设计提供帮助.