【摘要】：熱輻射傳輸是以電磁波的形式進(jìn)行能量傳遞,同時(shí)也是一種熱光學(xué)信號(hào)傳遞方式。一些參與熱輻射能量傳遞、熱光學(xué)信號(hào)傳輸?shù)陌胪该鞑牧系臒峁鈱W(xué)特性在許多科學(xué)研究和工程技術(shù)中是不容忽視的。由于半透明材料內(nèi)熱輻射傳輸具有容積性和方向性的特點(diǎn),所以往往需要做大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和定量分析來(lái)揭示材料內(nèi)部的熱輻射行為。研究半透明材料的介質(zhì)熱輻射特性,實(shí)質(zhì)上是熱輻射反問(wèn)題研究。該類(lèi)熱輻射反問(wèn)題研究涉及半透明試件的表觀熱輻射特性測(cè)量、實(shí)驗(yàn)的模擬計(jì)算、以及介質(zhì)熱輻射參數(shù)的反演辨識(shí)。研究過(guò)程是一個(gè)融合實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的熱輻射領(lǐng)域非常重要的基礎(chǔ)性研究課題。研究結(jié)果可以廣泛的支撐涉及能量容積式分布、熱光學(xué)信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)應(yīng)用和科學(xué)研究領(lǐng)域。針對(duì)典型的半透明材料,熔融SiO_2,Al_2O_3單晶和Al_2O_3多晶泡沫陶瓷,本文進(jìn)行了表觀特性的測(cè)量方法、高溫?zé)彷椛錅y(cè)量裝置、透射和反射特性的測(cè)量及不確定度分析,以及介質(zhì)熱輻射物性的反演辨識(shí)等方面的研究。利用半透明介質(zhì)的表觀輻射特性具有容積性和方向性的特點(diǎn),針對(duì)窗口類(lèi)純吸收性材料,提出了多厚度測(cè)量法和疊層界面測(cè)量方法,解決了同時(shí)在高透光譜區(qū)和半透明光譜區(qū)獲取各種不同高溫透射、反射特性的問(wèn)題。針對(duì)高孔隙開(kāi)孔泡沫材料,提出了多厚度測(cè)量法和多維幾何效應(yīng)測(cè)量法,實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)散射光譜區(qū)獲取各種具有較高信噪比的高溫透射、反射特性的目的。討論了多厚度測(cè)量法和疊層界面法的適用范圍,以及圓柱型、圓球型、圓錐型試件對(duì)方向-方向透射和反射特性的三維幾何效應(yīng)。研制了高溫紅外連續(xù)光譜方向-方向透射和反射特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測(cè)量溫度范圍300-1800K,光譜范圍0.85-25?m。設(shè)計(jì)了預(yù)真空-氬氣高溫加熱裝置,可以形成最大溫差小于10K的均溫區(qū)。采用均溫區(qū)對(duì)試件進(jìn)行加熱,克服了試件溫度梯度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。開(kāi)發(fā)了可熱態(tài)旋轉(zhuǎn)的試件支架,該支架由步進(jìn)電機(jī)和計(jì)算機(jī)控制,旋轉(zhuǎn)范圍±180o,旋轉(zhuǎn)精度0.01o。試件旋轉(zhuǎn),配合加熱室側(cè)壁上固定位置的測(cè)量孔,可以實(shí)現(xiàn)高溫方向-方向透射和反射特性的測(cè)量�；诟盗⑷~光學(xué)原理,以及對(duì)高溫雜光的產(chǎn)生和傳輸?shù)姆治?推導(dǎo)了高溫方向-方向透射和反射特性的測(cè)量模型,可以有效地減小“雜光噪聲”和“零漂噪聲”對(duì)FTIR光譜儀輸出的光譜圖的污染。采用絕對(duì)標(biāo)定法,利用Thorlabs提供的標(biāo)準(zhǔn)ZnSe試件對(duì)測(cè)量模型中的儀器函數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定,并分析了儀器函數(shù)的光譜分布特點(diǎn)。測(cè)量了熔融SiO_2、Al_2O_3單晶窗口材料和Al_2O_3多晶泡沫陶瓷材料,并進(jìn)行了不確定度分析,結(jié)果表明測(cè)量不確定度小于0.005。分析了典型試件的各種高溫方向-方向透射和反射特性測(cè)量數(shù)據(jù),其中,SiO_2窗口材料的光譜測(cè)試范圍為0.85-5.0?m,溫度測(cè)試范圍300-1800K;Al_2O_3單晶窗口的光譜測(cè)試范圍0.85-7.0?m,溫度測(cè)試范圍300-1800K;Al_2O_3多晶泡沫材料的光譜測(cè)試范圍0.85-3.0?m,溫度測(cè)試范圍300-1200K。開(kāi)發(fā)了改進(jìn)的遺傳算法反演辨識(shí)程序,加入了指數(shù)編碼、小生境遺傳、最優(yōu)保存策略等高級(jí)遺傳技術(shù)。反演獲得了測(cè)試材料的折射率、吸收指數(shù)、衰減系數(shù)、散射反照率等高溫光譜介質(zhì)熱輻射物性參數(shù)。發(fā)現(xiàn)了SiO_2窗口材料在1.4?m、2.2?m和2.75?m附近的吸收帶隨溫度升高的非單調(diào)變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)了Al_2O_3單晶窗口的高透射截止波長(zhǎng)隨溫度升高向短波方向移動(dòng)的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)了Al_2O_3多孔泡沫材料在0.85-3.0?m的散射反照率接近于1的強(qiáng)散射特點(diǎn)。
【圖文】：

遞方式[1]。尤其是在高溫，或者真空環(huán)境中，熱輻射是最重要的傳遞方式些參與熱輻射能量傳遞、熱光學(xué)信號(hào)傳輸?shù)陌胪该鞑牧系臒彷椛湮镄栽谠S程技術(shù)和科學(xué)研究中是不容忽視的，例如太陽(yáng)能利用工程、紅外遙感技術(shù)隔熱設(shè)計(jì)、紅外無(wú)損檢測(cè)、高溫工程和低溫制冷、紅外測(cè)溫等。比如，飛熱設(shè)計(jì)中防隔熱材料在高溫下對(duì)熱輻射的半透明特性是評(píng)價(jià)其好壞的標(biāo)一[2]。由具有光譜選擇性的光學(xué)窗口、多孔介質(zhì)吸熱芯組成的容積式太陽(yáng)能吸，在太陽(yáng)能高溫?zé)徂D(zhuǎn)換中有廣泛的應(yīng)用前景。這種吸熱器的光學(xué)窗口是一用材料光譜選擇性設(shè)計(jì)的節(jié)能窗口[3,4]。一方面，光學(xué)窗口對(duì)入射的太陽(yáng)束具有高透過(guò)、低吸收性；另一方面，光學(xué)窗口對(duì)吸熱腔內(nèi)的高溫吸熱芯溫壁面發(fā)射的紅外熱輻射具有強(qiáng)烈的阻擋作用(反射和吸收)。因此，光學(xué)使入射到吸熱器的太陽(yáng)能被有效的控制在吸熱腔體內(nèi)，減少了散熱損失。窗口物性參數(shù)的光譜選擇性和溫度依賴性是吸熱器的入射、出射能流密度譜分布，，方向非均勻性研究的基礎(chǔ)性關(guān)鍵物性參數(shù)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文屬常用作太陽(yáng)能吸熱器或反應(yīng)器的容積吸熱芯散射系數(shù)、散射相函數(shù)等是預(yù)測(cè)模擬吸熱腔內(nèi)。熱輻射物性的準(zhǔn)確性往往是制約著吸熱器容因素之一。中，遙感窗口不僅是保護(hù)探測(cè)、成像儀器的關(guān)線的必經(jīng)路徑，控制著入射光信號(hào)的光譜分布平臺(tái)可能是人造衛(wèi)星、浮空器、飛機(jī)或其他飛能面對(duì)各種各樣的復(fù)雜熱光學(xué)環(huán)境。其熱光學(xué)的基礎(chǔ)物性參數(shù)。比如徑向溫度梯度引起折射程差，最終導(dǎo)致系統(tǒng)波像差[9]。特別是超音速的氣動(dòng)加熱作用后，頭罩的熱輻射嚴(yán)重降低紅外
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.4;O441.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2602934