基于MDA法计算水雾粒子红外隐身粒径

水雾隐身技术是一种较为理想且经济适用的目标特征信号控制技术。本文从辐射传输方程出发,考虑水雾粒子的本身辐射和散射,提出以红外表观透射率评价水雾粒子的红外隐身性能。应用Modified Differential Approximation(MDA)法结合MIE理论,计算了水雾粒子红外表观透射率随水雾粒子浓度和粒径的变化关系,得到水雾粒子最佳红外隐身粒径。结果表明:水雾粒子的红外表观透射率随粒子浓度的增加而减小,但当粒子的浓度增加到一定值时,红外表观透射率基本保持不变;水雾粒子的红外表观透射率随粒径的增加先减小后增大,当探测波段为3～5μm时,水雾粒子的最佳红外隐身粒径为6μm;而探测波段为8～12μm时,水雾粒子的最佳红外隐身粒径为12μm。     

水雾强弥散条件下高温温场多光谱成像反演

高浓度水雾条件下的表面高温温场反演测量在航空航天、冶金铸造等工业领域有着重要的应用。由于水雾的弥散作用,高温表面的辐射透过水雾后,会出现强烈的衰减和散射,导致传统辐射测温方法出现很大误差。现有水雾弥散条件下的温场反演测量主要包括基于试验数据反推及实时测量水雾参数进行修正的测量方法,并基于辐射传输理论对测量结果进行误差分析和评估,测量方式多为单通道或双通道点辐射测温。基于水雾场红外光谱辐射特性的计算,提出了一种水雾强弥散条件下表面高温温场多光谱成像反演方法;根据辐射传输理论,考虑强弥散条件下的邻近效应,建立了相应的反演模型。在水雾场相关参数未知的情况下,通过三个透过水雾场后的高温目标长波红外光谱辐射图像,反演得到表面高温温场的真温分布。反演第一步是辐射温度场反演,即通过长波红外辐射图像,根据定标曲线和高温目标的光谱发射率先验数据,得到高温目标透过弥散水雾场经过发射率校正的辐射温度场;反演的第二步是根据三通道非线性反演模型,得到目标的真温温场分布。设计了一个长波红外三光谱通道反演测量装置,中心波长分别是8.8, 10.7和12.0 μm,对高温目标进行三个长波红外光谱通道的同时探测成像。设计了一套验证测试装置,利用标准高温黑体源和水雾弥散设备,进行了高温目标水雾弥散条件下的辐射图像采集和目标温度的反演试验。试验结果表明8～14 μm长波红外波段比短波波段对水雾弥散具有更强的抗干扰能力,在1 100和1 200 ℃典型温度点反演的平均误差在7%左右,大大减小了未经校正的辐射传输失真,适用于黑体和灰体高温目标,且无需水雾场的浓度和粒径分布等先验信息,基于多光谱成像信息的水雾弥散条件下温场反演方法具有一定的普适性和创新性。     

Mie散射偏振特性对平板介质内辐射换热的影响

偏振是电磁辐射的重要特性之一。考虑偏振效应的辐射传输的分析和计算需要基于以Stokes参量为传输变量的矢量辐射传输方程。由于考虑偏振效应时辐射换热计算要复杂得多,传统的辐射换热计算过程中一般忽略偏振效应。而完全忽略偏振效应对辐射换热的分析可能会引起较大的误差。本文通过数值求解矢量辐射传递方程,以平行光照射一维散射平板为例,研究由Mie散射相矩阵引起的偏振效应对辐射换热的影响。研究表明,入射光的偏振态和散射相矩阵的偏振效应是耦合在一起对辐射换热的分析产生影响的。当它们具有强的耦合作用时,即偏振态显著影响散射后的能量分配,将会引起基于标量辐射传输的辐射热流预测结果出现较大偏差。     

基于相函数和消光因子的水雾粒子最佳消光半径研究

人造水雾可有效衰减红外辐射而广泛应用于目标红外隐身领域,获得最佳消光效果的水雾粒子半径分布区间成为国内外研究的重点和难点。在米氏(Mie)理论的基础上给出了粒子消光的物理和数学模型,总结了确定人造水雾最佳消光半径的三个条件,采用散射相函数和消光效率分析相结合的方法,经过Matlab编程计算分析了针对中、远红外波段的水雾粒子最佳消光半径,获得了较为明确的粒径分布区间,给出了中、远红外波段的最佳粒径分布规律。该结论可对舰船及陆路目标的红外隐身及消防灭火研究提供参考。     

热红外对地遥感中的大气散射效应

从辐射传输方程出发,严格地分析了以往工作中被忽略的大气层中悬浮微粒散射对热红外辐射能量传输的影响,特别研究了对能量平衡的贡献和对传感器信噪比的影响,对以遥感器高度和能见度作为参量的仿真计算结果说明,与传统的不考虑大气中悬浮微粒的散射情况相比差1~2个数量级。这说明,悬浮微粒的散射不仅对红外辐射有消光作用,而且是研究热红外遥感系统中新的辐射通量出现的重要因素。     

细水雾遮蔽红外辐射的蒙特卡洛模拟及透射场分析

基于蒙特卡洛法,对水雾遮蔽热辐射衰减建立了光子状态序列的追踪模型.利用该模型对水雾粒子的多重散射进行模拟,分析了影响水雾消光性能的消光系数、水雾浓度、不对称因子等参数,发现不对称因子也是影响水雾隐身性能的重要参数.研究表明:对于消光系数相同的介质,不对称因子越小越有利于衰减目标热辐射强度,而采用朗伯比尔定律则不能获得此结论;在雾粒子半径远大于红外波长的情况下,提高水雾的浓度并减小粒子半径可有效提高水雾的衰减作用.     

牙齿组织光热动态特性仿真与试验研究

调制激光作用牙齿组织发生散射形成光子密度波, 而由于光热效应产生热波, 基于一维介质辐射传输漫射近似方程与一维热传导方程建立了调制激光作用牙齿组织半透明混合介质的一维热波数学模型. 利用该模型仿真分析了牙齿龋损特性参数(牙釉质龋损层光吸收系数、散射系数、热扩散系数及龋损深度)对光热辐射动态响应特性的影响与规律. 利用红外探测器(HgCdTe, 2–12 μm)记录808 nm半导体激光激发牙齿组织产生的热波信号, 由锁相放大器计算热波信号的幅值与相位. 通过频率扫描试验获得了牙齿组织的光热动态响应, 利用多参数最佳统计拟合方法得到了牙齿组织特性参数. 结果表明光热辐射测量对牙齿组织不均匀性和龋损特性均具有较高敏感性与特异性.     

红外辐射在水雾中衰减计算的修正方法研究

水雾系统对红外光谱有着强烈的衰减作用,因此在军事目标的各种制导对抗中被予以高度的关注。以Mie散射理论为基础,分析了粒子对红外光谱前向散射的聚集特性,定义了近前向散射比,并确定了在应用朗伯比尔定律时需修正的粒子尺度和散射半角的范围。通过大量计算发现,单独将粒子尺度和散射半角的乘积作为独立变量计算的视消光系数不够精确。在中远红外波段,前向散射附近的小角度内散射强度积分与粒子尺度和散射角都成正比,若红外波长为定值,则与粒子半径成正比。最后根据前向散射规律给出了两个不单独以x.θ为变量的经验计算公式,使得对水雾消光的修正计算更加简便精确。     

热阻塞效应对激光辐照靶材烧蚀过程的影响分析

研究了百兆瓦级激光烧蚀碳/碳复合材料靶材产生的等离子体吸收激光束能量引起的热阻塞效应。首先,基于逆轫致吸收理论,建立了激光在烧蚀靶材产生的等离子体中的传播模型;然后,基于磁流体理论,得到了等离子体在百兆瓦级激光形成的电磁场中的波动方程,建立了等离子体吸收激光能量引起热阻塞效应的模型。最后,对烧蚀过程中粒子的总密度、吸收系数、靶材表面等效热流随激光持续时间的变化规律以及是否考虑热阻塞效应时,靶面垂直方向的温度场进行了数值模拟。结果表明：等离子体的形成,对激光形成了明显的热阻塞效应,削弱了激光对靶材的烧蚀作用,使粒子总密度、吸收系数、靶材表面等效热流以及靶面垂直方向温度场的变化均呈现为非线性。     

球谐函数法求解辐射传输方程的假散射和射线效应

假散射和射线效应是辐射传输方程近似解法中出现的特有误差.从辐射传输方程的近似求解过程出发,在定性分析的基础上构造物理模型,通过数值模拟研究球谐函数法(P₁和P₃近似法)的假散射和射线效应.构造激光平行入射和倾斜入射二维半透明介质的物理模型,通过内部温度场的分布特征研究假散射.构造顶部侧面保持高温而其余侧面保持低温的二维半透明介质方案,通过对比底面边界净热流密度分析射线效应.计算结果表明球谐函数法中同时存在假散射和射线效应,P₃近似比P₁近似减小了射线效应.同时,球谐函数法的射线效应随光学厚度的增加而减小.     

含对流与蒸发表面的有限厚度材料的双曲型热传导分析

本文对于含有对流与蒸发表面的有限厚度材料,在遭受一脉冲表面热流作用时的双曲型热传导进行了分析,采用热势函数描述的双曲型热传导方程来描述该问题,并用有限差分法进行数值求解．同时,本文还就表面对流与蒸发对材料表面与内部瞬态温度变化的影响以及材料双曲型热传导对表面蒸发的影响进行了分析．     

Non-Fourier heat conduction with radiation in an absorbing, emitting, and isotropically scattering medium

This article numerically analyses the combined conductive and radiative heat transfer in an absorbing, emitting, and isotropically scattering medium. The non-Fourier heat conduction equation, which includes the time lag between heat flux and the temperature gradient, is used to model the conductive heat transfer in the medium. It predicts that a temperature disturbance will propagate as a wave at finite speed. The radiative heat transfer is solved using the P₃ approximation method. In addition, the MacCormack's explicit predictor-corrector scheme is used to solve the non-Fourier problem. The effects of radiation including single scattering albedo, conduction-to-radiation parameter, and optical thickness of the medium on the transient and steady state temperature distributions are investigated in detail. Analysis results indicate that the internal radiation in the medium significantly influences the wave nature. The thermal wave nature in the combined non-Fourier heat conduction with radiation is more obvious for large values of conduction-to-radiation parameter, small values of optical thickness and higher scattering medium. The results from non-Fourier-effect equation are also compared to those obtained from the Fourier equation. Non-Fourier effect becomes insignificant as either time increases or the effect of radiation increases.     

半透明平板边界入射辐射热流密度的反问题

对一维半透明平板内辐射、导热及边界对流耦合换热过程进行了研究。提出了一种由一侧边界出射辐射强度反演另一侧边界入射辐射热流密度的方法。通过对各向异性散射、吸收系数、散射系数、边界外侧来流温度、对流换热系数、半透明平板的导热系数和平板厚度等参数对反演精度影响的分析表明,方法是可行的。     

地面目标动态红外特征模拟与隐身技术的研究

针对易受敌方红外制导武器攻击的地面军事目标,模拟并计算出其红外辐射特征。通过合理的假设,将复杂的三维辐射与对流耦合传热问题简化为一维瞬态传热问题,运用多层有限差分的数值计算方法计算模拟出目标瞬时温度变化方向图,得出其动态红外特征。在此基础之上,分别研究了地面目标不同部位(顶部与侧面)隐身所需要的表面发射率与温差的关系。分析了在不同温差条件下目标隐身所需表面发射率随时间的变化关系。计算模拟得出目标与背景在一日之中都存在明显的温差,最大温差可达10℃左右。分析得出利用水雾隐身使目标与背景的温差控制在2℃以内可达到良好的隐身效果。     

分离式热管蒸发段充冷过程性能研究

建立了分离式热管蒸发段充冷过程的数理模型,分析了在不同热管介质入口温度下热管蒸发段管外冰层厚度、热管介质出口温度、热管外蓄冷介质温度、单位时间蓄冷量以及总蓄冷量随时间的变化关系,研究结果表明,在热管蒸发段长度和管径一定的情况下,降低热管介质入口温度可以提高热管蒸发段单位时间蓄冷量、减小热管充冷时间。     

Entropy Generation Analysis of the Flow Boiling in Microgravity Field

Entropy generation analysis of the flow boiling in microgravity field is conducted in this paper. A new entropy generation model based on the flow pattern and the phase change process is developed in this study. The velocity ranges from 1 m/s to 4 m/s, and the heat flux ranges from 10,000 W/m² to 50,000 W/m², so as to investigate their influence on irreversibility during flow boiling in the tunnel. A phase–change model verified by the Stefan problem is employed in this paper to simulate the phase–change process in boiling. The numerical simulations are carried out on ANSYS-FLUENT. The entropy generation produced by the heat transfer, viscous dissipation, turbulent dissipation, and phase change are observed at different working conditions. Moreover, the Be number and a new evaluation number, E_P, are introduced in this paper to investigate the performance of the boiling phenomenon. The following conclusions are obtained: (1) a high local entropy generation will be obtained when only heat conduction in vapor occurs near the hot wall, whereas a low local entropy generation will be obtained when heat conduction in water or evaporation occurs near the hot wall; (2) the entropy generation and the Be number are positively correlated with the heat flux, which indicates that the heat transfer entropy generation becomes the major contributor of the total entropy generation with the increase of the heat flux; (3) the transition of the boiling status shows different trends at different velocities, which affects the irreversibility in the tunnel; (4) the critical heat flux (CHF) is the optimal choice under the comprehensive consideration of the first law and the second law of the thermodynamics.     

前沿领域综述–多孔介质强制对流换热研究进展

多孔介质的强制对流换热主要涉及渗流、对流换热、热弥散和热辐射等方面的内容, 文中对这个几个方面的国内外研究进展和发展趋势进行了逐一综述. 同时对主要理论模型、实验研究和经验关联式进行了分类整理, 总结了它们的特点、适用范围和局限性, 并对主要研究成果进行了对比分析, 指出了将来进一步研究的方向和难点所在. 而且通过简化计算得到高温多孔介质冷却过程何时需要考虑辐射换热. 所有这些对多孔介质的理论研究和工程应用都具有指导性的意义. 关键词： 多孔介质 对流换热 渗流 热弥散     

The influence of anisotropic scattering on the radiative intensity in a gray, plane-parallel medium calculated by the DRESOR method

Even though there have been many ways to treat complex anisotropic scattering problems, in most of the cases only the radiation flux or its dimensionless data were provided, and radiative intensity with high directional resolution could merely be seen. In this paper, a comprehensive formulation for the DRESOR method was proposed to deal with the anisotropic scattering, emitting, absorbing, plane-parallel media with different boundary conditions. The method was validated by the data from literature and the integral formulation of RTE. The DRESOR value plays an important role in the DRESOR method, and how it is determined by the anisotropic scattering was demonstrated by some typical results. The intensities with high directional resolution at any point can be given by the present method. It was found that the scattering phase function has little effect on the intensity for thin optical thickness, for example, 0.1. And there is the largest boundary intensity for the medium with the largest forward scattering capability, and the smallest one with the largest backward scattering capability. An attractive phenomenon was observed that the scattering of the medium makes the intensity at boundary can not reach the blackbody emission capability with the same temperature, even if the optical thickness tends to very large. It was also revealed that the scattering of the medium does not mean it cannot alter the magnitude of the energy; actually, stronger scattering causes the energy to have more chance to be absorbed by the medium, and indirectly changes the energy magnitude in the medium. Finally, it is easy to deduce all the associated quantities such as the radiation flux, the incident radiation and the heat source from the intensity, just as done in literature.     

具有蜂窝状结构夹板的空气层复合传热的研究

本研究在考虑了辐射换热的条件下对带六角形蜂窝状结构的竖直空气层的复合传热进行了数值解析蜂窝状芯材的温度是通过对流和辐射之间的热平衡来决定的，因此，在芯材极其薄的情况下，辐射换热将对自然对流产生影响。本文通过对辐射率ε＝０．０３～１．０，Ｐｒ＝０．７，Ｒａ＝１０３～１０５的各种组合条件下的计算，解明了辐射换热对对流换热所产生的影响。