空间环境模拟装置中的目标热辐射分析方法

摘要

本发明涉及一种空间环境模拟装置中的目标热辐射分析方法，采用仿真方法首先建立一空间三维模拟场景，场景中包括热影响模型以及测试目标；然后根据确定的热影响模型，建立所述测试目标的热方程；然后输入工况参数，对所述热方程进行求解；最后根据求解的热方程，生成整体场景的温度场以及红外辐射场。本发明采用大型球形容器、热沉、太阳模拟器、背景辐射模拟器、测试轨道及测试设备、转台、观测窗口模拟场景，耦合三维非稳态情形进行辐射换热分析，可以实现波段3μm～50μm的辐射场的精确模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及空间目标仿真模拟测量技术，特别是关于空间目标红外辐射及传热分析方法。

背景技术

在空间目标红外辐射模拟测量试验中，目标本身的红外辐射往往由于周围环境的干扰以及特殊包覆材料的散射、辐射特性以及小角度特性，均存在测不准的问题。因此，构建空间目标光学特性仿真模型对目标红外辐射进行分析，对辅助测量目标在真空冷环境下的温度、辐射、散射特性参数，至关重要。

红外辐射是考察目标光学特性的一种手段，建立一种空间目标红外辐射热分析模型，结合这些模拟场进行耦合传热分析以及辐射特性计算。

发明内容

因此，针对于上述要求，本发明的目的是提供一种空间测试目标红外辐射热分析方法，用以准确分析空间目标的红外辐射和传热特性。

为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：一种空间测试目标红外辐射热分析方法，是采用仿真的方法：

首先建立空间各对象三维几何模型；

然后从中确定热影响模型；

然后根据确定的热影响模型，建立测试目标的热方程；

然后设置工况参数，对所述热方程进行求解；

最后根据求解的热方程，生成各观测方向红外辐射场。

优选地，所述三维几何模型，包括大型球形容器，在所述球形容器内壁面设置有热沉，所述球形容器顶部设置有太阳模拟器，所述球形容器内底部设置有背景辐射模拟器，所述背景辐射模拟器上方设置测试转台，所述转台承载测试目标，所述球形容器内部设置有安装测试设备的弧形导轨，所述球形容器壁上设置有观测窗口。

优选地，所述热影响模型包括所述测试目标以及边界辐射换热模型，所述边界辐射换热模型包括太阳模拟器、背景辐射模拟器、热沉、测试转台，所述太阳模拟器、背景辐射模拟器、热沉、测试转台的辐射换热模型为蒙特卡洛模型。

优选地，所述背景辐射模拟器是包括多个弧形结构的单元，所有单元先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成整个辐射面，所有单元的参数可独立设置。

优选地，所述测试转台包括半圆形导轨及底座两部分构成，假设导轨等效为直径为D、宽度为W的弧形板，所述测试目标等效为处于导轨圆心位置的受热面积为的三角形受热面；则对于导轨圆心处，导轨的总辐射立体角可近似计算为：

按最大立体角进行计算，则转台导轨标的辐射加热功率G_台为：

其中ε_w为转台的发射率，σ是斯忒藩-波尔兹曼常数，T_台为转台温度。

优选地，所述测试目标的热方程中，包括测试目标自身的热平衡方程以及边界条件，所述边界条件包含定壁温边界条件，定热流边界条件以及变热流边界条件。

优选地，所述热方程采用离散法求解，求解过程中采用四面体控制单元。

优选地，对于所述测试目标自身的热平衡方程求解，包含非稳态项和扩散项。

优选地，采用反向蒙特卡洛法生成各观测方向红外辐射场分布。

本发明采用该技术方案,设计大型球形容器、热沉、太阳模拟器、背景辐射模拟器、测试轨道及测试设备、转台、观测窗口等在内的模拟场景，然后耦合三维非稳态情形进行辐射换热模型建立，传热分析及红外辐射特性计算，可以实现波段3μm～50μm的空间环境辐射场模拟，实现空间目标红外辐射热分析。测试设备可任意角度测试，各独立部件参数可分别设置，测试目标基于容器中心可任意角度加载，各独立部件可根据需要加载部分或全部；在给定输入条件后，可输出给定方向视场中的温度场和辐射场分布。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本模拟试验系统的二维结构示意图；

图3为转台结构示意图；

图4a、图4b为导热漏热Q＝0时平衡态目标温度随转台温度的变化；

图5-图8分别为导热漏热Q＝50W、100W、200W、300W时平衡态目标温度随转台温度的变化；

图9为控制单元体采用四面体单元结构图；

图10为类比平面相邻三角形确定r值的求解图；

图11为相邻面的导热系数求解图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。

如图1所示，本发明一种空间测试目标红外辐射热分析方法，首先建立系统场景中各对象三维几何模型；然后基于已建立的场景几何模型，以目标工况参数及热物性参数、太阳模拟器参数、计算控制参数及输出控制参数等作为输入参数，然后综合考虑太阳模拟器、背景辐射模拟器、热沉、转台及测试目标之间的相互传热，通过编制的三维辐射换热求解模块与三维非稳态热平衡方程求解模块进行耦合求求解，以计算出瞬态温度场分布数据；然后基于求解获得的各目标温度场数据，计算输出试验环境中各个目标在设定波段下的红外特性分布；最后针对特定观测方向的温度场输出给定观测方向的场景温度场及红外辐射场图像。

基本包括以下步骤：

1)建立空间各对象三维几何模型

2)确定热影响模型

3)建立测试目标的热平衡方程

4)设置工况参数

5)热平衡方程的离散求解

6)观测方向红外辐射场的生成

一、建立空间各对象三维几何模型

图2给出了模拟系几何模型。构建目标及场景的三维模拟试验场，包括一大型球形容器1用于构造真空低温环境，沿大型球形容器1内壁环面设置的热沉2用于降低球形容器内温度，在大型球形容器1顶部开设窗口设置的太阳模拟器3用于模拟太阳辐照，在大型球形容器1内部设置的背景辐射模拟器4，用于模拟空间中除太阳之外的其他辐射源，在大型球形容器1内部设置的测试转台5用于承载测试目标6，在大型球形容器1内部设置的升降平台7用于调整测试目标高度，在大型球形容器1内部设置的弧形导轨8用于安装测试设备9，在大型球形容器1壁上设置的若干窗口10用于观测。

二、确定热影响模型

由于试验系统在运行工况时内部抽真空，因而内部传热过程的分析主要需考虑部件的三维非稳态导热以及部件之间的辐射换热。另外，由于实际试验过程中热负荷会根据试验要求的工况发生变化(周期性变化)，因而内部传热过程为非稳态三维辐射、导热耦合传热过程。因此，要对该传热过程分析，需要确定热影响因素，建立传热模型，然后对三维非稳态导热过程以及多目标间的辐射换热过程进行耦合求解。

相关辐射热流贡献需要通过适当的辐射换热模型得到。辐射传输是一种长程热量传输方式，一般情况下，测试系统中任意对象之间都可能存在辐射换热交换。辐射换热本质上是基于电磁波的能量交换，系统中目标的净辐射热流取决于单位时间内其自身发射及吸收的光子携带的能量。

对于测试目标，其温度分布会受到内部热源和外界辐射换热及接触导热等的影响，测试目标姿态调整也会引起周围辐射热流的变化。因此，考虑非稳态工况，对测试目标的热影响包括自身热影响和边界的辐射换热影响。

1.测试目标自身热模型

由于目标自身有内部热源，关于自身热影响，不同目标有不同热物性参数，包括密度、比热、导热系数、内部热源、壁面发射率、壁面吸收率等，且这些参数可能具有一定的空间分布特性而非常数。

2.边界条件辐射换热模型

关于边界热影响，在所述模拟系统下，有太阳模拟器、背景辐射模拟器、热沉、转台的影响。

2.1太阳模拟器辐射换热模型

太阳模拟器的辐射输出是确定的，不会受外界因素的影响。因而太阳模拟器可以看作为一个给定尺寸、光谱及辐射强度的辐射源。这样，可以不考虑其它目标对太阳模拟器的传热，而只考虑太阳模拟器对其它目标的传热，其输出光谱按照实际设备的光谱进行设定。根据太阳模拟器的这些特征建立专门的蒙特卡洛模型。

2.2背景辐射模拟器辐射换热模型

背景辐射模拟器设计方式是：包括多个弧形结构的单元，所有单元先组成不同半径的圆环形区域，所有不同半径的圆环形区域同心排布构成整个辐射面，所有单元的参数可独立设置。

由于温度受控，背景辐射模拟器的辐射输出也是确定的，可以认为其不会受外界因素的影响。其可以看作为一个给定尺寸及温度的灰体(黑体)辐射源。其温度场可认为不受其它目标影响。但是，其表面会对太阳模拟器等其它目标的投射辐射进行一次及多次反射。因此，其对受测目标的影响，除了直接辐射换热影响外，还需考虑反射引起的间接影响。根据背景辐射模拟器的上述特征建立专门的蒙特卡洛模型。

2.3热沉辐射换热模型

热沉温度也受控，因而辐射输出也是确定的，可以认为其不会受外界因素的影响。其理论模型与背景辐射模型类似，但是与背景辐射模拟器相比，其温度很低，因而辐射的光谱分布更趋于长波。根据上述特征建立专门的蒙特卡洛模型。

2.4转台辐射换热模型

转台对目标的辐射加热影响，与其结构有关，转台一般包括半圆形导轨及底座两部分构成，根据图3所示转台的结构特征，下面简单分析转台对目标的热影响：

1)假设导轨等效为直径为D、宽度为W的弧形板；

2)将目标等效为处于导轨圆心位置的受热面积为的三角形受热面；

3)对于导轨圆心处，导轨的总辐射立体角可近似计算为：

4)按此最大立体角进行计算，则转台对目标的辐射照射加热功率G_台为：

其中ε_w为转台的发射率，σ是斯忒藩-波尔兹曼常数，T_台为转台温度。

设目标的吸收率为α，另外，目标还受到热沉的加热(设热沉为黑体，受到热沉正反两个面的加热)，则目标吸收的总投射辐射热流为：

目标发射的热流(正反两个面)为：

q_出＝ασT⁴2A>

假设目标与底座接触处存在功率为Q的导热漏热(或者目标的内热源)，则能量平衡式为：

q_出＝q_吸+Q>

则，平衡态温度T满足：

可解出平衡态温度为：

若无导热漏热Q＝0，则为纯辐射平衡，此时有平衡时的温度计算式：

图4a～4b给出了无导热漏热时上式计算所得的平衡态温度随转台温度的变化情况。计算条件：热沉温度为T_沉＝85K，无导热漏热Q＝0，

图4a中转台发射率取为ε_w＝0.9(按保守取法)，图4b中转台发射率取为ε_w＝0.2。

图5～图8给出了有导热漏热时上式计算所得的平衡态温度随转台温度的变化情况。计算条件：转台发射率取为ε_w＝0.9(按保守取法)，热沉温度为T_沉＝85K，目标吸收率α＝1(保守取法)。导热漏热分别为Q＝50W、100W、200W、300W。

可以看出：当导热漏热Q较大时，转台辐射加热的影响可以忽略，转台的发射率可以有效减小转台的影响。反之，当导热漏热Q较大时，转台的辐射加热的影响将变大。转台辐射换热模型也可根据上述特征建立专门的蒙特卡洛模型。

综上所述，对测试目标产生热影响的外界热流有太阳模拟器、背景辐射模拟器、热沉、转台的热流。

三、建立测试目标的热方程

根据对测试目标的热影响分析，其温度分布受到内部热源、外部辐射换热及接触导热等的影响。同时考虑非稳态工况，确立总体热量平衡控制方程(式9)，及边界条件一、二、三(式(10)、(11)、(12))：

k▽T(t,r)·n_w＝E_sun(t,r)+E_bgd(t,r)+E_oth(t,r)-E_w(t,r)+q_w(t,r)>N

(10)

T(t,r)＝T_D(t,r)>D>

T(0,r)＝T₀(r)>

其中，ρ为材质密度，C为比热容，λ为测试目标控制体内部导热系数，Q_s为内部热源，n_w为控制体壁面法向量，E_sun为吸收的太阳辐照热流，E_bgd为吸收的背景辐照热流，E_w为壁面向外辐射的热流，E_oth为其它模拟体的辐射热流，q_w(t,r)为壁面上的非辐射热流，T_D(t,r)为本质边界上给定的温度分布，T₀(r)为初始温度场，k为控制体外部的导热系数(n_w方向)，为温度梯度，r∈Γ_N中r表示壁面N处的所有点，r∈Γ_D中r表示壁面D处的所有点。

测试目标姿态调整会引起辐射热流的变化，这一变化的辐射热流可通过上述边界条件给出。

四、设置工况参数

获取测试目标以及周围辐射换热模型的物性参数，必须包括前述热平衡方程及边界条件中涉及的所有初级输入参数，作为已知条件输入。

其中对于辐射(照)热流，由于辐射换热的长程性以及光谱依赖性，其辐射传递的数值求解往往需要复杂且耗时的计算。目前求解方法主要分为两类：1)基于射线跟踪的方法，该类方法一般需要跟踪光束传播轨迹进行求解，如射线踪迹法、蒙特卡洛法；2)基于微分形式辐射传递方程全局离散的方法，该类方法的求解过程类似于一般偏微分方程的离散和求解。这些方法由于求解思想的不同，其求解过程、网格要求、计算复杂程度、所能获得的解的精度、对复杂介质及边界辐射特性的适应性、辐射耦合计算时的相容性也不相同。

综合来看，基于射线跟踪的方法其数值模拟过程具有物理含义清晰的特点，同时有利于进行细粒度的并行算法设计。其中蒙特卡洛法对于辐射传递的求解适应能力最强，如可以处理各向异性散射及复杂边界条件。对于复杂表面间的辐射换热分析，射线踪迹法及蒙特卡洛法具有较高的精度。

本发明采用蒙特卡洛法对系统内部辐射换热过程分析和计算。具体的模拟过程为，跟踪各个表面随机发射的光子在系统中被反射、吸收的过程，记录各个表面吸收的光子数目，从而确定净辐射换热量，最后作为热流边界条件提供给三维非稳态热平衡方程求解。各目标的辐射物性参数，包括光谱反射率、光谱发射率作为已知条件输入。

五、热平衡方程的离散求解

对于研究涉及的目标，控制方程求解主要考虑以下几点：1)目标具有复杂几何结构，因而使用基于三维非结构网格的求解算法求解；2)边界条件中辐射换热热流的确定通过辐射换热求解模块获得；3)辐射和导热的耦合换热是一个强非线性过程，其耦合求解存在数值不稳定性，需考虑非稳态求解；4)传热过程为非稳态过程，整个系统的非稳态求解需要大量计算时间，需要针对不同目标的传热特点，优选时间离散格式及步长。

要对上述总体热量平衡控制方程进行求解以获得温度场分布，需要通过数值离散的方法将微分方程转化为代数方程。目前对热平衡控制方程的求解已发展了多种离散方法，如有限差分法，有限元法，边界元法，有限体积法等。其中有限体积法可以适用各种形式的网格划分从而非常有利于模拟工程中具有复杂边界的流动和传热问题，成为目前传热领域使用最广泛的求解方法。有限体积法具有局部守恒性，能够保证热流在每个控制体内守恒，可以保证其能够得到符合物理意义的结果，这较好的满足工程传热计算分析的需要。

本发明在控制单元体方面使用四面体单元，单元结构如图9所示。下面针对四面体单元推导非稳态三维热平衡方程的离散公式。

对瞬态热平衡方程在四面体单元体积和时间积分，可以得到：

ρ为材质密度，C为比热容，λ为测试目标控制体内部导热系数，CV是控制体符号，gradT是温度梯度，S_T是内热源源项。

要得到离散公式，需要对式(13)中每一项分别进行离散。并且，对热平衡方程的离散涉及区域内部及边界条件两部分，需分别进行离散。

(1)区域内离散

对式(13)中各项在区域内部分别离散，最终整理得到以下区域内的离散方程形式。

非稳态项：

T^t+Δt表示t+Δt时刻的温度，V_tet表示当前控制体单元的体积，T_P当前时刻控制体单元的温度，初始时刻控制体单元的温度。

扩散项离散：

为简化表达式，下标P表示当前四面体，下标P1、P2、P3、P4表示相邻四面体或者相邻面，λ_P1表示P1的导热系数，A_P1表示P1的面积，T_P1表示P1的温度，r_P1表示P1上的一点到边界的距离，T_P表示P的温度。

关于时间的积分，引入加权因子f，写成如下形式：

其中，如图10所示，类比平面相邻三角形确定r值方式，两个相邻四面体的距离r值，可以由两个相邻四面体重心连线，在相邻面法向投影求得。

同理，如图11所示，相邻面的导热系数可以采用当量导热系数的调和平均公式求得，即：

所以，式(18)可以写成：

源项的离散引用线性化假设，即：

S_c为常数，Sp为常数S_T＝f(t)的曲线在P点的斜率。

引入下列各式简化表达：

最终得到区域内部的离散公式:

inflence of the first adjacent cell表示第一个相邻单元的影响，同理，其他分别表示第二、第三、第四个单元的影响，infulence of the source term表示源项的影响，influence of the non-transient term表示非瞬态项的影响。

(2)边界条件处理

处于边界的情形，根据边界条件类型不同，采用不同的处理方法。若P为边界单元，边界面为面i，其他多个边界面可类推得到，则:

第一类边界条件(定壁温边界条件)：

T_P＝T_given(24)

T_P控制体的温度，T_given是给定的壁温。

第二类边界条件(定热流边界条件)：利用附加热源法，对边界面i，那么，

influence of the ith adjacent cell＝q_iA_Pi,a_Pi＝0>

q_i是热流，A_Pi是控制体P与相邻控制体的交界面，a_Pi如公式(17)所示。

第三类边界条件(控制体外有热流通过的条件)：类似第二类边界条件处理，对于边界面i，有：

q＝h_f(T_f-T_P)>

h_f是对流换热系数，T_f是流体温度，T_P是控制体温度。

根据附加热源法，考虑边界导热，可以利用等效换热系数h，即，

可以得到：

influence of the ith adjacent cell＝h(T_f-T_P)A_Pi,a_Pi＝0>

(3)总离散控制方程形式

整理后，总离散控制方程可以写成如下形式：

1)第一类边界条件边界单元离散控制方程：

T_P＝T_w(1)

T_w是壁面温度。

2)其他边界条件内部和边界单元离散控制方程：

i表示表示控制体内部控制变量，j表示第三类边界条件的控制变量，k表示第二类边界条件的控制变量。

其中，

至此，得到热平衡离散方程表达式。

以上考虑的是非稳态情形，对于稳态情形，其离散方程形式推导类似，第一类边界条件边界单元离散控制方程为：

T_P＝T_w>

其他边界条件内部和边界单元离散控制方程为：

六、各观测方向红外辐射场的生成

总离散控制方程求解后，即可以获得温度场。但为了获得不同方向的红外辐射场信号，需要计算出目标在不同方向的红外辐射强度场。目标红外辐射强度场的分布，除了包含自身热辐射外，还有对环境及其他目标辐射的反射信号。因而，要求解目标红外辐射强度场的分布，需要考虑辐射的多次反射过程以及目标与环境辐射信号叠加和干涉。本发明采用反向蒙特卡洛法来求解整体场景的红外辐射强度场分布。然后再根据整体场景的温度场和辐射场，提取任意特定方向的温度场和特定波段的辐射场。