本發(fā)明涉及高溫部件熱分析、氣固輻射耦合換熱模擬領(lǐng)域，尤其涉及耐高溫鎳基合金材料的光譜發(fā)射率建模方法和測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：以下對本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)背景進(jìn)行說明，但這些說明并不一定構(gòu)成本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。發(fā)射率是材料的固有屬性，是飛行器的高溫部件的熱設(shè)計(jì)、排氣系統(tǒng)的目標(biāo)特性、隱身材料研制等領(lǐng)域所關(guān)注的主要參數(shù)，發(fā)射率的精度對于高溫部件防熱設(shè)計(jì)有著直接的影響。輻射傳熱問題主要存在于飛行器動(dòng)力裝置的防熱設(shè)計(jì)，如廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈的燃?xì)廨啓C(jī)，其燃燒室和渦輪具有很高的溫度，主要材料采用耐高溫的鎳基合金。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，燃燒室的溫度也在不斷升高，現(xiàn)如今，燃燒室的溫度可達(dá)1800K甚至更高。為了防止火焰筒和高壓渦輪的熱損壞、提高使用期限，必須采用更加合理高效的冷卻設(shè)計(jì)，保證部件溫度在材料的允許范圍內(nèi)，這意味著要更好地了解燃燒室壁面冷卻的傳熱過程，對大多數(shù)情況而言，由于燃燒室具有很高的壓力，在燃燒室主燃區(qū)由高溫氣體向壁面?zhèn)鳠岬囊淮蟛糠质禽椛鋼Q熱，同時(shí)，在火焰筒存在有效的氣膜冷卻的情況下，輻射換熱甚至是唯一的由燃?xì)獾奖诿娴膫鳠?。壁面的全輻射出射度可由斯蒂?波爾茲曼公式M＝εσT4計(jì)算得到，可見輻射能量與溫度的四次方成正比，也說明了當(dāng)處于高溫環(huán)境時(shí)，輻射換熱的比重將會(huì)急劇的增大。公式中的ε為發(fā)射率。一方面，在計(jì)算固體壁面的輻射能量時(shí)，通常認(rèn)為壁面的發(fā)射率不具有光譜選擇性，即在全波長范圍內(nèi)具有相同的發(fā)射率，但是在燃燒室內(nèi)，壁面的溫度很高可達(dá)1500K，此時(shí)其輻射能量的峰值集中于中波附近，研究表明，燃燒室的主要材料高溫鎳基合金在中波波段的發(fā)射率隨出射波長的變化會(huì)發(fā)生較大的變化，如圖1所示，在中波的發(fā)射率由0.6變化至0.1。另一方面，輻射換熱是燃?xì)夂凸瘫诘鸟詈陷椛鋼Q熱，而氣體輻射具有光譜選擇性的，只在特定的波段發(fā)射和吸收能量，而這一發(fā)射/吸收波段正是位于中波的波段，因此必須分光譜計(jì)算固壁的發(fā)射率，否則會(huì)嚴(yán)重影響輻射傳熱計(jì)算的準(zhǔn)確性。另一方面，燃燒室內(nèi)由于燃燒的存在，相同材料不同結(jié)構(gòu)處的溫度差異很大(400K-1500K)，同時(shí)由于飛行狀態(tài)的不同，相同材料相同結(jié)構(gòu)也會(huì)經(jīng)歷不小的溫度變化。已知的是一般情況下金屬的發(fā)射率會(huì)隨溫度的升高而升高，在燃燒室這種存在很大溫度梯度的部件輻射換熱計(jì)算中，必須采用隨溫度變化的發(fā)射率數(shù)據(jù)，否則會(huì)對計(jì)算的結(jié)果造成很大的誤差。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供耐高溫鎳基合金材料的光譜發(fā)射率建模方法，包括如下步驟：S1.根據(jù)待測耐高溫鎳基合金樣件的服役環(huán)境確定樣件的服役溫度范圍和波長范圍；S2、從樣件的服役溫度范圍和波長范圍中任意選取若干組測試溫度和波長；針對每一組測試溫度和波長，獲取樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的光譜發(fā)射率；S3.基于若干組測試溫度、波長和光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，擬合光譜發(fā)射率模型中的模型參數(shù)，得到樣件的光譜發(fā)射率模型；其中，所述光譜發(fā)射率模型為：式中，ε(λ，T)為樣件的光譜發(fā)射率；λ為波長，單位為μm；T為測試溫度，單位為K；T0代表室溫，其取值為300K；a0、a1、a2、a3、a4為模型參數(shù)，無單位量剛。優(yōu)選地，所述獲取樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的光譜發(fā)射率包括：分別獲取黑體和樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的輻射亮度；按照如下公式確定樣件的光譜發(fā)射率：式中，Ls(λ,T)為樣件在測試溫度T和波長λ下的輻射亮度，Lb(λ,T)為黑體在測試溫度T和波長λ下的輻射亮度。優(yōu)選地，分別獲取黑體和樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的輻射亮度包括：將黑體溫度分別設(shè)置為T1和T2，獲取紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值S1(λ)和S2(λ)；根據(jù)獲取的S1(λ)和S2(λ)，解算紅外光譜儀的輻射信號(hào)關(guān)系式中樣件和測試背景的幾何因子G1和G2；基于G1和G2，利用紅外光譜儀的輻射信號(hào)關(guān)系式確定黑體和樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的輻射亮度；其中，所述紅外光譜儀的輻射信號(hào)關(guān)系式為：S(λ)＝R(λ)[G1L(λ,T)+G2L0(λ)]式中，S(λ)為紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值；R(λ)為紅外光譜儀在波長λ處的響應(yīng)函數(shù)；G1和G2分別為樣件和測試背景的幾何因子；L(λ,T)為待測的樣件或黑體在測試溫度T和波長λ下的輻射亮度，L0(λ)為測試背景在測試溫度T和波長λ下的輻射亮度。優(yōu)選地，樣件的光譜發(fā)射率為：式中，Lb(λ,T1)為黑體表面溫度為T1時(shí)、紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值，Lb(λ,T2)為黑體表面溫度為T2時(shí)、紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值；Ss(λ,T)為樣件表面溫度為T時(shí)、紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值，Sb(λ,T)為黑體表面溫度為T時(shí)、紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供采用上述方法進(jìn)行光譜發(fā)射率建模的測量系統(tǒng)，包括：真空室、加熱單元、轉(zhuǎn)動(dòng)單元、黑體爐、測溫單元、光路傳輸單元、紅外光譜儀和控制器；其中，加熱單元設(shè)置在真空室內(nèi)，用于承載、加熱待測樣件和黑體爐；光路傳輸單元的兩端分別與真空室和紅外光譜儀連通，用于將待測樣件或黑體的輻射能傳入紅外光譜儀；紅外光譜儀將輻射能變?yōu)楦缮婀?，并發(fā)送至控制器；轉(zhuǎn)動(dòng)單元設(shè)置在真空室內(nèi)，用于在控制器的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)加熱單元上的黑體和樣件，使其輻射能分別經(jīng)過光路傳輸單元進(jìn)入紅外光譜儀；測溫單元用于探測待測樣件或黑體的表面溫度，并傳送給控制器；控制器根據(jù)測溫單元發(fā)送的表面溫度數(shù)據(jù)，控制加熱單元對樣件或黑體進(jìn)行加熱或者終止加熱；控制器對接收的干涉光進(jìn)行傅里葉變換，獲取波長以及紅外光譜儀的輻射信號(hào)輸出值；基于若干組測試溫度、波長和光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，擬合光譜發(fā)射率模型中的模型參數(shù)，得到樣件的光譜發(fā)射率模型；其中，所述光譜發(fā)射率模型為：式中，ε(λ，T)為樣件的光譜發(fā)射率；λ為波長，單位為μm；T為測試溫度，單位為K；T0代表室溫，其取值為300K；a0、a1、a2、a3、a4為模型參數(shù)，無單位量剛。優(yōu)選地，加熱單元為鎢板。優(yōu)選地，測溫單元為鉑銠-鉑熱電偶。本發(fā)明建立的耐高溫鎳基合金的光譜發(fā)射率模型，能夠模擬鎳基合金在各個(gè)溫度和波長下的發(fā)射率，模擬的溫度和波長范圍寬、模擬結(jié)果與測試結(jié)果的吻合度高，從而為輻射換熱模擬和防熱設(shè)計(jì)提供高精度的發(fā)射率數(shù)據(jù)。附圖說明通過以下參照附圖而提供的具體實(shí)施方式部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加容易理解，在附圖中：圖1是示出本發(fā)明光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是示出GH169在不同溫度下發(fā)射率的測試結(jié)果和模擬結(jié)果對比圖；圖3是示出K77在不同溫度下發(fā)射率的測試結(jié)果和模擬結(jié)果對比圖；圖4是示出K417G在不同溫度下發(fā)射率的測試結(jié)果和模擬結(jié)果對比圖；圖5是示出DD5在不同溫度下發(fā)射率的測試結(jié)果和模擬結(jié)果對比圖；圖6是示出DD125在不同溫度下發(fā)射率的測試結(jié)果和模擬結(jié)果對比圖。具體實(shí)施方式下面參照附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。對示例性實(shí)施方式的描述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。本發(fā)明耐高溫鎳基合金材料的光譜發(fā)射率建模方法，包括如下步驟：S1.根據(jù)待測耐高溫鎳基合金樣件的服役環(huán)境確定樣件的服役溫度范圍和波長范圍；S2、從樣件的服役溫度范圍和波長范圍中任意選取若干組測試溫度和波長；針對每一組測試溫度和波長，獲取樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的光譜發(fā)射率；S3.基于若干組測試溫度、波長和光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，擬合光譜發(fā)射率模型中的模型參數(shù)，得到樣件的光譜發(fā)射率模型；其中，所述光譜發(fā)射率模型為：式中，ε(λ，T)為樣件的光譜發(fā)射率；λ為波長，單位為μm；T為測試溫度，單位為K；T0代表室溫，其取值為300K；a0、a1、a2、a3、a4為模型參數(shù)，無單位量剛。本發(fā)明中測試溫度和波長的組數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行確定，只要能夠解算出光譜發(fā)射率模型中的模型參數(shù)即可，因此，上述的若干組可以是任意值，例如5組、或者更多組。當(dāng)測試溫度和波長的組數(shù)較少時(shí)，可以僅根據(jù)測試數(shù)據(jù)結(jié)算出光譜發(fā)射率模型中的模型參數(shù)，當(dāng)測試溫度和波長的組數(shù)較多時(shí)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，舍棄掉其中誤差較大的數(shù)據(jù)，然后再以剩下的有效數(shù)據(jù)擬合光譜發(fā)射率模型中的模型參。測試溫度和波長的組數(shù)越多，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性越高。為了驗(yàn)證本發(fā)明光譜發(fā)射率模型的模擬準(zhǔn)確性，針對某種樣件，可以分別通過試驗(yàn)測試其光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)、和用本發(fā)明的光譜發(fā)射率模型模擬出其光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，然后將試驗(yàn)測試的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明模擬的結(jié)果進(jìn)行比較。鎳基高溫合金主要應(yīng)用于航空燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室和排氣系統(tǒng)，燃燒室內(nèi)的溫度約為400K至1600K，排氣系統(tǒng)的溫度約為300K至900K。在圖2至圖6的實(shí)施例中，分別選取GH169、K77、K417G、DD5、DZ125等五種典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料(五種鎳基合金的成分如表1所示)作為待測樣件，每種樣件通過試驗(yàn)測試得到的光譜發(fā)射率與波長的變化曲線、以及通過本發(fā)明的光譜發(fā)射率模型模擬出的光譜發(fā)射率與波長的變化曲線參見附圖。圖中橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為光譜發(fā)射率，擬合的取值范圍為3-10μm，試驗(yàn)的范圍為1-14μm。針對上述五種鎳基合金樣件，其擬合光譜發(fā)射率模型中的模型參數(shù)如下表2所示。表1鎳基合金各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(％)表2五種樣件的光譜發(fā)射率模型中各參數(shù)擬合結(jié)果a0a1a2a3a4GH1690.13890.02701-0.64951.3791-0.4525K770.14210.024-0.7841.6657-0.614K417G0.003340.01359-0.43571.6129-0.7512DZ1250.045270.00975-0.46211.3738-0.6233DD50.17450.0153-0.80571.7944-0.7466從圖2至圖6可以看出，即使在延長了波長的范圍，模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果仍具有很高的吻合度，在1-14μm內(nèi)均是適用的，說明了本發(fā)明提出的光譜發(fā)射率模型具有較高的精確性。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方式獲取樣件的光譜發(fā)射率，采用何種方式獲取光譜發(fā)射率對本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施沒有任何影響。在一些實(shí)施例中，可以采用能量比較法獲取樣件的光譜輻射量，方法簡單，準(zhǔn)確性好。具體地，獲取樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的光譜發(fā)射率包括：分別獲取黑體和樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的輻射亮度；按照如下公式確定樣件的光譜發(fā)射率：式中，Ls(λ,T)為樣件在測試溫度T和波長λ下的輻射亮度，Lb(λ,T)為黑體在測試溫度T和波長λ下的輻射亮度。優(yōu)選地，分別獲取黑體和樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的輻射亮度包括：將黑體溫度分別設(shè)置為T1和T2，獲取紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值S1(λ)和S2(λ)；根據(jù)獲取的S1(λ)和S2(λ)，解算紅外光譜儀的輻射信號(hào)關(guān)系式中樣件和測試背景的幾何因子G1和G2；基于G1和G2，利用紅外光譜儀的輻射信號(hào)關(guān)系式確定黑體和樣件在當(dāng)前測試溫度和波長下的輻射亮度；其中，所述紅外光譜儀的輻射信號(hào)關(guān)系式為：S(λ)＝R(λ)[G1L(λ,T)+G2L0(λ)]式中，S(λ)為紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值；R(λ)為紅外光譜儀在波長λ處的響應(yīng)函數(shù)；G1和G2分別為樣件和測試背景的幾何因子；L(λ,T)為待測的樣件或黑體在測試溫度T和波長λ下的輻射亮度，L0(λ)為測試背景在測試溫度T和波長λ下的輻射亮度。從代數(shù)角度來說，僅通過兩組數(shù)據(jù)即可結(jié)算出樣件和測試背景的幾何因子G1和G2，例如上述實(shí)施例中僅以黑體溫度分別為T1和T2時(shí)紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值S1(λ)和S2(λ)為基礎(chǔ)解算樣件和測試背景的幾何因子G1和G2。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，為了盡量提高解算結(jié)果的準(zhǔn)確性，也可以采用更多組數(shù)據(jù)，例如，采用遠(yuǎn)多于兩組的數(shù)據(jù)，首先通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對該多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剔除其中誤差較大的數(shù)據(jù)，然后以剩下的有效數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)解算紅外光譜儀的輻射信號(hào)關(guān)系式中樣件和測試背景的幾何因子G1和G2，數(shù)據(jù)量越大，解算出幾何因子G1和G2的準(zhǔn)確性越高。在一些實(shí)施例中，按照如下公式計(jì)算樣件的光譜發(fā)射率：式中，Lb(λ,T1)為黑體表面溫度為T1時(shí)、紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值，Lb(λ,T2)為黑體表面溫度為T2時(shí)、紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值；Ss(λ,T)為樣件表面溫度為T時(shí)、紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值，Sb(λ,T)為黑體表面溫度為T時(shí)、紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號(hào)輸出值。如圖1所示，本發(fā)明還提供了采用上述方法進(jìn)行光譜發(fā)射率建模的測量系統(tǒng)，包括：真空室1、加熱單元2、轉(zhuǎn)動(dòng)單元3、黑體爐4、測溫單元(圖中未示出)、光路傳輸單元6、紅外光譜儀7和控制器8。真空室1主要是為了產(chǎn)生保護(hù)氛圍，避免由于加熱時(shí)樣件5發(fā)生氧化而影響樣件5的光譜發(fā)射率，同時(shí)消除大氣中水蒸汽和CO2的吸收影響。加熱單元2設(shè)置在真空室1內(nèi)，用于承載、加熱待測樣件5和黑體爐4；光路傳輸單元6的兩端分別與真空室1和紅外光譜儀7連通，用于將待測樣件5或黑體4的輻射能傳入紅外光譜儀7；紅外光譜儀7將輻射能變?yōu)楦缮婀?，并發(fā)送至控制器8；轉(zhuǎn)動(dòng)單元3設(shè)置在真空室1內(nèi)，用于在控制器8的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)加熱單元2上的黑體4和樣件5，使其輻射能分別經(jīng)過光路傳輸單元6進(jìn)入紅外光譜儀7。通過使樣件5與黑體4的輻射能分別經(jīng)過同一光路進(jìn)入紅外光譜儀7，能夠降低避免光路自身結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性對紅外光譜儀探測結(jié)果的影響，提高本發(fā)明光譜發(fā)射率模型的精確性。測溫單元用于探測待測樣件5或黑體4的表面溫度，并傳送給控制器8；控制器8根據(jù)測溫單元發(fā)送的表面溫度數(shù)據(jù)，控制加熱單元2對樣件5或黑體4進(jìn)行加熱或者終止加熱；控制器8對接收的干涉光進(jìn)行傅里葉變換，獲取波長以及紅外光譜儀7的輻射信號(hào)輸出值；基于若干組測試溫度、波長和光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，擬合光譜發(fā)射率模型中的模型參數(shù)，得到樣件5的光譜發(fā)射率模型；其中，所述光譜發(fā)射率模型為：式中，ε(λ，T)為樣件的光譜發(fā)射率；λ為波長，單位為μm；T為測試溫度，單位為K；T0代表室溫，其取值為300K；a0、a1、a2、a3、a4為模型參數(shù)，無單位量剛。黑體爐4用于輻射黑體能量，通過將樣件5的輻射能量與黑體4輻射能量進(jìn)行比較，可以校正背景輻射。優(yōu)選地，加熱單元2可以為鎢板，結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長。優(yōu)選地，測溫單元為鉑銠-鉑熱電偶，結(jié)構(gòu)簡單，測量準(zhǔn)確性高。為了盡量減少干擾因素對測試結(jié)果的影響，采用紅外光譜儀測量輻射時(shí)可以采取一定的措施防止加熱單元的輻射被紅外光譜儀探測到。例如，絕熱材料覆蓋加熱單元，防止其輻射被紅外熱像儀接收，或者在樣件周圍包裹一層絕熱材料，以減少樣件的周向散熱，使測試表面的溫度分布均勻。雖然參照示例性實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于文中詳細(xì)描述和示出的具體實(shí)施方式，在不偏離權(quán)利要求書所限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所述示例性實(shí)施方式做出各種改變。當(dāng)前第1頁1 2 3