基于有限元法的黑体空腔有效发射率的研究

摘要

黑体空腔常作为标准黑体辐射源应用于红外辐射温度计的标定、光谱的测量以及高温辐射温度计中。表征黑体空腔辐射特性的发射率测量困难，一般采用计算的方法获得，传统的研究方法都有各自的局限性。
　　本文提出一种计算腔体有效发射率的有限元分析新方法，该方法尤其适合结构复杂腔体的有效发射率的计算，本文主要研究内容如下:
　　(1)研究腔体积分发射率和有效发射率的有限元计算方法。根据积分发射率定义，利用能量守恒原理将反作用热流率转化为探测器接收的能量。进而对有效发射率进行研究，从能量收支差额的角度分析问题，计算得到一定面积节点处能量交换以及相对应节点处相同面积的黑体辐射能，从而计算出腔体有效发射率。
　　(2)针对ANSYS有限元分析方法计算黑体空腔有效发射率的准确性，将计算结果与文献给出的结果做了对比。在等温情况下，腔体靶面及侧壁0-400mm范围内各点的计算偏差小于1×10-4;非等温情况下，腔体全辐射和光谱有效发射率仿真值与蒙特卡洛方法计算数值的偏差小于5×10-4。因此，ANSYS有限元分析方法计算黑体空腔有效发射率是可行的且准确的。
　　(3)将ANSYS有限元分析理论应用到复合腔体有效发射率的计算中，其靶面计算值与蒙特卡罗法的计算值之间的偏差，在等温情况下小于1×10-4，非等温情况下小于5×10-4，从而验证了此方法应用到复合腔体上的准确性，并分析复合腔体结构参数对靶面有效发射率的影响，得出复合黑体空腔高温传感器的最佳尺寸参数配置建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 有限元方法

1．4 本文研究的主要内容

第2章 黑体空腔辐射理论与发射率计算方法

2．1 基尔霍夫理想黑体

2．2 黑体辐射定律

2．2．1 基尔霍夫定律

2．2．2 普朗克定律

2．2．3 斯蒂芬-玻尔兹曼定律

2．3 黑体辐射换热原理

2．4 腔体发射率计算方法

2．4．1 多重反射理论

2．4．2 积分方程理论

2．4．3 蒙特卡罗方法

2．5 腔体发射率的有限元计算方法

2．5．1 腔体积分发射率的有限元计算方法

2．5．2 腔体有效发射率的有限元计算方法

2．6 本章小结

第3章 等温腔体发射率的计算

3．1 ANSYS热分析方法

3．2 黑体空腔积分发射率有限元计算

3．3 黑体空腔有效发射率有限元计算

3．4 ANSYS仿真有效发射率准确性分析

3．5 本章小结

第4章 非等温腔体发射率的计算

4．1 腔体全辐射发射率的计算

4．1．1 黑体空腔全辐射发射率计算方法

4．1．2 黑体空腔全辐射发射率的计算与准确性分析

4．1．3 不同温度分布对有效发射率的影响

4．2 黑体空腔光谱有效发射率的计算

4．2．1 腔体光谱有效发射率计算方法

4．2．2 腔体光谱有效发射率的计算与准确性分析

4．2．3 波长对光谱有效发射率的影响

4．3 本章小结

第5章 复合腔体发射率的计算

5．1 复合腔体有效发射率有限元计算方法

5．2 复合腔体有效发射率的计算与准确性分析

5．2．1 等温复合腔体靶面有效发射率的计算与准确性分析

5．2．2 非等温复合腔体靶面有效发射率的计算与准确性分析

5．3 复合腔体结构参数对有效发射率的影响

5．3．1 内管长度对复合腔体有效发射率的影响

5．3．2 内管半径对复合腔体有效发射率的影响

5．3．3 内管壁厚对复合腔体有效发射率的影响

5．3．4 外管长径比对复合腔体有效发射率的影响

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢