空间气球的红外特性分析

建立了完善的空间气球温度场与红外辐射特征的理论计算模型.首先建立了计算所需要的空间坐标系并计算了空间气球接收到的空间辐射热流,其次利用有限元软件ANSYS 10.0求解瞬态热平衡方程得到了空间气球的表面温度分布,然后在3～6μm和6～16μm红外波段分别计算了空间气球作为点源时的红外辐射强度空间分布,最后详细比较并分析了空间气球与空间弹道式目标在表面温度分布和红外辐射强度空间分布的不同.文章的研究结果对于空间目标的红外探测与识别具有参考价值.     

卫星轨控推进器尾焰红外辐射的数值模拟

为全面了解卫星的红外辐射特性,需掌握卫星轨控推进器尾焰的红外辐射特性.按照先计算尾焰的流场、再计算尾焰的吸收系数、最后用有限体积法求解尾焰红外辐射亮度的先后顺序,较完整地建立了卫星轨控推进器尾焰红外辐射的求解模型.根据该模型计算得到的尾焰辐射亮度,进一步求解获得了1 000～4 500 cm-1 内的光谱和波段辐射强度.通过分析,光谱辐射强度在1 525 cm-1、1 700 cm-1、2 155 cm-1、2 175 cm-1、2 350 cm-1 和3 750 cm-1附近的数值较大;到喷管出口截面的垂直距离不同,最大的波段辐射强度可能对应不同的方位角.在波数2 350cm-1和3 750 cm-1 附近,光谱辐射强度与同类文献中的计算结果能够相互吻合.此结果表明,该模型具有较高的可行性和精确性.     

卫星多光谱信号的仿真研究

卫星的红外和可见光信号的特征取决于外部太阳辐射光源的状况,与卫星的运动和姿态确定方式密切相关.按照基本的物理原理对可见光波段卫星红外和光学信号的建模,根据卫星与太阳、地球和传感器的相对位置关系和材料表面光学特性来计算卫星的光学信号.在轨道计算和坐标变换过程中,建立太阳翼对日定向的数学模型来考虑卫星运动和姿态的变化.卫星表面材料的光学特性使用了S-R双向反射分布函数(BRDF)模型,并推导了考虑直接反射和间接反射红外和可见光信号的计算公式.最后,采用太阳同步轨道的轨道根数进行模拟计算,得到了模型卫星辐射强度的分布和辐射亮度序列灰度图像,并分析了卫星红外和可见光信号的特征.     

飞行器表面温度和发射率分布对红外辐射特征的影响

为了考察飞行器表面8～14μm波段内红外辐射特征的控制规律,建立了包括蒙皮外气动热与蒙皮内部传热的数学物理模型,分别采用有限体积法求解蒙皮温度分布和反向蒙特卡罗法计算飞行器表面8～14μm波段内红外辐射特征.通过数值模拟,计算分析了在水平方向上飞行器各主要部件对红外辐射强度的贡献.最后,改变飞行器各主要部件的表面温度和发射率,获得了对飞行器水平方向上总的红外辐射特征的影响和控制规律.     

地面目标动态红外特征模拟

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,并运用多层有限差分的数值计算方法模拟出目标外表面温度场随时间的变化曲线图与目标波段辐射强度的方向图.在此基础上,根据目标与背景的辐射强度差值,计算出红外成像探测系统对目标的最大作用距离,并绘制出其在探测器工作波段内的方向图.通过比较分析出隐身涂料对作用距离的影响,在3～5μm波段最大作用距离由7km下降为5.5km,在8～12μm波段最大作用距离由13km下降为7.5km.     

宽高比对矩形喷管外尾焰红外辐射的影响

建立了三种不同宽高比矩形喷管的物理模型,采用Fluent6.3软件对三种矩形尾喷管外的三维流场进行了数值模拟,得到尾焰流场的温度、压强和密度等数据,并根据矩形尾喷管外尾焰的特点确立三种矩形尾喷管外尾焰的红外辐射核心计算区域.利用基于洛伦兹线型的统计窄带模型,求出尾焰在窄带l的平均吸收系数;然后采用有限体积法(FVM)求解气体介质中辐射传输方程,最后得到了尾焰的红外辐射的光谱特性与三种矩形喷管尾焰在3～5 μm波段的总强度分布.结果表明:尾焰辐射在2.7 μm和4.3 μm处出现两个辐射峰,并且随着矩形喷管宽高比的增加,尾焰的红外辐射强度大大降低.     

空间跟踪与监视系统预警探测单元的技术特性分析

对空间跟踪与监视系统预警探测单元的探测视场、成像像素规模、空间分辨力、光学增益等光学系统性能进行了逆向工程解算;基于目标与背景的短波红外辐射特性,对该预警探测单元的工作波段进行了定量分析,提出了其预警探测单元并非工作在传统预警卫星常用的低大气透过率波段(2.5~2.9μm)的新观点。计算结果表明,在强背景噪声条件下,预警探测单元采取高大气透过率波段(2~2.4μm)的选通滤波措施,可获得最优探测能力。     

基于人工红外光照时地面目标红外特性的分析

针对目标的探测、识别以及目标红外特征的模拟,本丈提出采用人工红外光源照射目标的方法,该方法以人工红外光源照射目标的物理模型为基础,综合考虑自然环境与人工红外光源对目标的影响,建立起目标表面温度的计算模型和目标红外辐射的计算模型.在分析以碳硅棒为红外光源的光谱特性基础上,对合肥某建筑物表面照射时目标在3～5岬和8～14 μm波段的红外辐射进行了仿真计算与分析.结果表明:采用不同功率的光源照射时,目标的红外辐射将发生改变,相同条件下8～14 μm波段的功率利用率大于3～5 μm波段的功率利用率.     

复合材料表面双向反射分布函数实验研究

为研究泡沫铝、铝基石墨纤维、镁基石墨纤维和碳纤维铝等特种复合材料的表面红外辐射及散射特性,测量了其表面双向反射分布函数(BRDF)值.利用自行研制的双向反射分布函数(BRDF)测试台,分别在0.6328、1.34、3.39 μm波段下,测量了上述材料在不同入射角下的表面双向反射分布函数值.实验结果表明:各种复合材料表面在可见光(0.6328 μm)波段的BRDF值分布在O.3区域内,且多呈镜反射状态;而在近中红外(1.34 μm和3.39 μm)波段的BRDF值分布在0.08区域内,呈现出一定的漫反射特征,且分布强度比可见光波段低很多,反映出各表面对各波段的吸收率不同.     

基于涂层性能退化的卫星红外辐射灵敏度分析

由于卫星表面热控涂层在空间恶劣环境下发生性能退化,导致实际参数与设计参数发生偏差,而重复计算卫星温度场和红外辐射耗时非常大.本文首先根据地面模拟实验数据建立了热控涂层性能退化模型,然后在卫星温度场和表面红外辐射计算模型的基础上,推导了卫星表面节点温度灵敏度和红外辐射灵敏度的计算公式.结合具体的卫星模型和轨道参数,求解了卫星表面节点温度灵敏度和红外辐射灵敏度.结果表明,热控涂层性能退化造成的卫星红外辐射特性变化,可直接利用卫星红外辐射灵敏度来分析,避免了卫星温度场和空间红外辐射的重复计算.     

坦克动力舱装甲板红外辐射温度计算分析

建立了坦克动力舱装甲板温度场数值计算模型,针对坦克动力舱装甲板的红外特性进行了理论计算.采用耦合计算方法计算了装甲板的温度场,通过装甲板和空气双向耦合换热计算,并考虑太阳辐射对装甲板温度场的影响,预测了装甲板温度场分布和辐射强度分布.动力舱装甲板温度场的计算结果与测试结果的相对误差小于9.034%,基本满足工程设计的需要.研究结果表明,动力舱顶装甲板是主要辐射源,排气百叶窗和排气管附近顶装甲板是坦克的红外辐射特征明显区域.     

低温冷箱跑冷损失及其对内部换热器温度分布的影响

以中国先进研究堆(CARR)的冷中子源项目为背景,建立了低温换热器与冷箱换热的物理模型,并通过对换热器内部冷热流体之间的传热以及换热器与冷箱、管道、支架之间辐射换热的耦合计算,得出冷箱和换热器的辐射热流密度,以及辐射跑冷对冷箱内部换热器温度分布的影响.辐射跑冷导致换热器温度变化最高达4 K.采用铝箔包裹换热器和管道的隔热方法,可以大幅度减小辐射跑冷量.计算表明,运用该方法后辐射对换热器温度的影响最大不超过0.4 K,结果能够满足使用要求.     

Characterisation of the hydraulic maldistribution in a heat exchanger by local measurement of convective heat transfer coefficients using infrared thermography

A methodology was developed to characterise the heat exchangers' performance decrease due to two-phase flow maldistribution. It consists in measuring the spatial distribution of the local heat transfer coefficients with a rapid, non-invasive and fluid independent method. The method is based on the infrared (IR) thermography measurement of the temperature response to an oscillating heat flux. The amplitude of the measured temperatures is compared to the solution of an analytical model. The problem is solved iteratively to obtain the heat transfer coefficients. This method has been applied to evaluate the uneven phase distribution of an air–water mixture in a compact heat exchanger. The exchanger is composed of seven multiport flat tubes, a vertical downward header and horizontal channels. Experiments were performed for mass flux from 29 kg m⁻² s⁻¹ to 116 kg m⁻² s⁻¹ and for quality from 0.10 to 0.70.     

Modelling the arc heat flux distribution in GMA welding

The spatial distribution of the heat flux falling on the weldpool surface has a marked effect on the weldpool shape and on the subsequent solidification process, which in turn affects the structure and properties of the weldment produced. A heat flux distribution model of gas metal arc (GMA) is developed in this paper. This model is suitable for larger surface deformation of GMA weldpool. It is found that when the free surface of the weldpool is significantly deformed, the resultant heat flux falling on the workpiece may be markedly modified. It follows that a bimodal distribution of arc heat flux may be applicable for a significantly deformed GMA weldpool.     

多孔材料辐射-传热耦合性能的统计二阶双尺度计算

对多孔材料辐射-传热耦合计算的数学模型, 即Rosseland方程, 给出了一种统计的二阶双尺度分析方法, 并针对典型问题进行了数值模拟。建立了考虑辐射项的统计二阶双尺度计算公式, 给出了统计意义下热流密度极值的预测算法, 并通过与理论解的比较对算法进行了验证, 利用本文中方法研究了孔洞体分比和空间分布状态对陶瓷多孔材料热传导系数、 辐射传导系数和热流密度极值的影响。结果表明: 孔洞体积分数的增加将导致有效热传导系数下降; 热流密度极值随孔洞体积分数的增加而变大, 并且在高温时辐射的作用明显增大; 数值试验表明, 使用统计二阶双尺度方法及其有限元算法预测孔洞随机分布复合材料结构的热性能是有效的。     

地球同步轨道卫星对地点波束天线在轨热分析

卫星在轨运行期间,卫星天线部件的温度会随着不断变化的外热流和辐射交换而变化。对温度变化敏感的部件如天线反射器在这种情况下易发生热致振动现象,从而影响其正常功能。对在轨运行的卫星天线所进行的热分析为卫星天线的热控设计和热致振动的预测提供了温度数据。首先建立某型号卫星天线系统的物理模型,然后利用UG-TMG软件对其进行在轨运行空间瞬态热分析,最后分析天线反射器的温度结果,为以后的热致振动研究提供参考和数据支持。     

Numerical Analysis of a Radiant Heat Flux Calibration System

Heat flux gauges are one of the devices that are used to determine the heat loads to which high-speed aerospace structures are subjected during flight. Prior to installation, these gauges are calibrated. The calibration system must be well understood if the heat flux gauges are to provide useful data during flight tests. A pseudo three-dimensional model of the radiant heat flux gauge calibration system was developed. The radiant heat flux gauge calibration system consists of a graphite plate heater and a circular foil heat flux gauge. The numerical model simulates the combined convection, radiation, and mass loss by chemical reaction on the graphite plate surface. It can be used to identify errors due to heater element erosion, and the deviations in the predicted heat fluxes due to uncertainties in various physical parameters of the system. A fourth-order finite difference scheme is used to solve the steady-state governing equations and to determine the temperature distribution in the gauge and the graphite plate, the incident heat flux on the gauge face, and the flat plate erosion. Initial gauge heat flux predictions from the model are found to be within ±5% of experimental results.     

低温非热平衡圆柱温度分布特性的数值分析与实验

为研究复杂传热条件下,低温非热平衡圆柱表面温度分布特性及相关控制手段,本文以单纯顶部送风为基础,建立了附加局部送风、附加辐射屏两种传热条件下的非热平衡圆柱体的传热模型,通过数值模拟方法分析了该柱体的径向温度梯度、体温度不均匀度、面温度不均匀度等温度特性,并通过实验验证了数值模拟结果的准确性。在此基础上定量分析了不同传热方式和运行参数对温度特性的影响规律,从传热方式、结构设计、运行参数三个角度,提供了控制柱体温度特性的方案。结果发现:相比于只有单纯顶部送风,设置局部喷口送风可使柱体平均温度的降幅提升5.1％,柱体温度不均匀度降幅提升38.3％,同时降低了柱体面温度不均匀度,并将柱体温度梯度控制在近导热面侧;附加低温辐射屏后,对流和辐射的耦合传热可使柱体平均温度降幅减少23％,柱体温度不均匀度降幅提升57.5％,同时降低了柱体面温度不均匀度。     

Calculation of heat flux from the region behind a reflected shock wave into the shock tube edge

We have numerically calculated the process of conjugated unsteady heat exchange during the formation of a boundary transient temperature layer as a result of the interaction of a shock wave with a flat edge surface of a shock tube. The results of calculations can be used in the analysis of the experimental data. The time variation of the heat flux and the temperature at the gas-solid interface is determined. The heat flux distribution profiles are obtained for two limiting variants of the boundary conditions on the outer surface of the shock tube.