相變過程中的高溫粒子輻射特性.pdf

1、相變過程中高溫粒子的熱輻射行為是目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、火焰溫度測(cè)量、森林火災(zāi)遙感和監(jiān)控、等離子噴涂等很多工程技術(shù)中所面臨的問題。外界輻照條件下粒子的相變行為，燃料液滴燃燒過程中對(duì)熱輻射的吸收和散射，相變過程中粒子內(nèi)部的輻射吸收等都是目前很多研究者所關(guān)心的問題。本文主要以固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴焰中的氧化鋁粒子（23AlO）為例，分析不同相態(tài)粒子輻射特性和相變動(dòng)力學(xué)過程，建立高溫條件下粒子相變輻射模型。主要研究?jī)?nèi)容包括以下五個(gè)方面。
　　(1)

2、以尾噴焰中氧化鋁粒子凝固過程中最易出現(xiàn)的三種相態(tài)（液態(tài)、γ相、α相）為研究對(duì)象，分析氧化鋁粒子分別處于以上三種相態(tài)的光學(xué)常數(shù)及輻射特性。在紫外到近紅外光譜范圍內(nèi)，考慮了氧化鋁粒子的不同輻射機(jī)制，分析了其光學(xué)常數(shù)隨相態(tài)的變化關(guān)系，以氧化鋁粒子不同相態(tài)吸收指數(shù)模型的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，建立了描述不同相態(tài)的等溫氧化鋁粒子輻射特性的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)由此計(jì)算出的不同相態(tài)氧化鋁粒子光譜輻射強(qiáng)度的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值接近。
　　(2)基于有效介質(zhì)理論，建立摻

3、有炭黑雜質(zhì)的氧化鋁粒子等效光學(xué)常數(shù)模型，考慮了粒子在熔點(diǎn)附近相態(tài)的變化。分析和比較了采用Maxwell-Garnett混合規(guī)則、Bruggeman混合規(guī)則、包覆層粒子球等效光學(xué)常數(shù)模型和復(fù)折射率體積平均這四種混合規(guī)則所計(jì)算的含炭黑雜質(zhì)的氧化鋁粒子等效光學(xué)常數(shù)數(shù)值，同時(shí)研究了四種混合規(guī)則的計(jì)算結(jié)果隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系?？疾榱颂亢陔s質(zhì)的含量和炭黑在氧化鋁粒子內(nèi)的混合形態(tài)對(duì)整個(gè)粒子輻射特性的影響。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)炭黑雜質(zhì)是尾噴焰中氧化鋁粒子的吸收指數(shù)

4、在熔點(diǎn)附近不連續(xù)性減小的原因之一。
　　(3)熔融態(tài)氧化鋁粒子凝固過程中動(dòng)態(tài)輻射特性建模。首先，根據(jù)熔融氧化鋁粒子凝固過程中的動(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)出了粒子凝固過程中各相態(tài)體積份額隨時(shí)間的變化關(guān)系。其次，分別采用介電常數(shù)的體積平均、復(fù)折射率的體積平均、Bruggeman混合規(guī)則以及Maxwell-Garnett混合規(guī)則來表征氧化鋁粒子相變過程中的等效光學(xué)常數(shù)的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用以上四種混合規(guī)則計(jì)算的結(jié)果都比較接近。再次，根據(jù)熔融氧化

5、鋁粒子由液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中可能出現(xiàn)的兩種凝固方式：逐層凝固和容積凝固，分別建立了多層粒子球動(dòng)態(tài)輻射模型和“等效介質(zhì)”粒子球動(dòng)態(tài)輻射模型。最后采用這兩類模型計(jì)算氧化鋁粒子相變過程中的動(dòng)態(tài)光譜輻射特性，發(fā)現(xiàn)兩種模型的計(jì)算結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)數(shù)值呈現(xiàn)類似的變化趨勢(shì)，而與實(shí)驗(yàn)過程比較接近的“等效介質(zhì)”粒子球模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。
　　(4)徑向非等溫多種相態(tài)分層共存的氧化鋁粒子內(nèi)部和外表面熱輻射特性的電磁理論研究。通過內(nèi)部電磁場(chǎng)系數(shù)i

6、nc和ind的反向遞推公式求得多層同心球粒子內(nèi)部各層電磁場(chǎng)系數(shù),inininabc和ind的數(shù)值，由此計(jì)算出的粒子內(nèi)部吸收因子徑向分布與MackowskiD.W.的計(jì)算結(jié)果非常接近。以液態(tài)、γ和α三相共存的氧化鋁粒子和含炭黑的γ和α相共存氧化鋁粒子為對(duì)象，分別采用多層同心球電磁理論模型與等效介質(zhì)球Mie氏理論模型計(jì)算其吸收、衰減因子，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)多層同心球粒子內(nèi)各組份所在層的厚度比波長(zhǎng)小很多時(shí)，有效介質(zhì)理論對(duì)這種多層同心球的結(jié)構(gòu)才適用。還

7、采用多層同心球電磁理論模型對(duì)單相態(tài)和多相態(tài)共存的氧化鋁粒子內(nèi)部以及表面的輻射特性進(jìn)行了計(jì)算和分析，考慮了粒子內(nèi)部相態(tài)含量、各相態(tài)的排列順序和徑向溫度梯度的影響。
　　(5)考慮氧化鋁粒子相變過程及粒子中的炭黑雜質(zhì)對(duì)高溫粒子流光輻射特性研究。采用反向蒙特卡羅法計(jì)算軸對(duì)稱高溫氧化鋁粒子流在軸線正側(cè)向輻射強(qiáng)度分布，以粒子的等效光學(xué)常數(shù)為基礎(chǔ)，考察氧化鋁粒子相變過程以及粒子中炭黑雜質(zhì)對(duì)粒子流場(chǎng)軸線上輻射特性的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高溫氧化鋁