[发明专利]耐高温镍基合金材料的光谱发射率建模方法和测量系统

说明书

公开了耐高温镍基合金材料的光谱发射率建模方法和测量系统，其中所述建模方法包括：根据待测耐高温镍基合金样件的服役环境确定样件的服役温度范围和波长范围；从样件的服役温度范围和波长范围中任意选取若干组测试温度和波长；针对每一组测试温度和波长，获取样件在当前测试温度和波长下的光谱发射率；基于若干组测试温度、波长和光谱发射率数据，拟合光谱发射率模型中的模型参数，得到样件的光谱发射率模型。本发明建立的耐高温镍基合金的光谱发射率模型，能够模拟镍基合金在各个温度和波长下的发射率，模拟的温度和波长范围宽、模拟结果与测试结果的吻合度高，从而为辐射换热模拟和防热设计提供高精度的发射率数据。

技术领域

本发明涉及高温部件热分析、气固辐射耦合换热模拟领域，尤其涉及耐高温镍基合金材料的光谱发射率建模方法和测量系统。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

发射率是材料的固有属性，是飞行器的高温部件的热设计、排气系统的目标特性、隐身材料研制等领域所关注的主要参数，发射率的精度对于高温部件防热设计有着直接的影响。

辐射传热问题主要存在于飞行器动力装置的防热设计，如广泛应用于飞机和巡航导弹的燃气轮机，其燃烧室和涡轮具有很高的温度，主要材料采用耐高温的镍基合金。随着发动机性能的不断提升，燃烧室的温度也在不断升高，现如今，燃烧室的温度可达1800K甚至更高。为了防止火焰筒和高压涡轮的热损坏、提高使用期限，必须采用更加合理高效的冷却设计，保证部件温度在材料的允许范围内，这意味着要更好地了解燃烧室壁面冷却的传热过程，对大多数情况而言，由于燃烧室具有很高的压力，在燃烧室主燃区由高温气体向壁面传热的一大部分是辐射换热，同时，在火焰筒存在有效的气膜冷却的情况下，辐射换热甚至是唯一的由燃气到壁面的传热。壁面的全辐射出射度可由斯蒂芬-波尔兹曼公式M＝εσT⁴计算得到，可见辐射能量与温度的四次方成正比，也说明了当处于高温环境时，辐射换热的比重将会急剧的增大。公式中的ε为发射率。

一方面，在计算固体壁面的辐射能量时，通常认为壁面的发射率不具有光谱选择性，即在全波长范围内具有相同的发射率，但是在燃烧室内，壁面的温度很高可达1500K，此时其辐射能量的峰值集中于中波附近，研究表明，燃烧室的主要材料高温镍基合金在中波波段的发射率随出射波长的变化会发生较大的变化，如图1所示，在中波的发射率由0.6变化至0.1。另一方面，辐射换热是燃气和固壁的耦合辐射换热，而气体辐射具有光谱选择性的，只在特定的波段发射和吸收能量，而这一发射/吸收波段正是位于中波的波段，因此必须分光谱计算固壁的发射率，否则会严重影响辐射传热计算的准确性。

另一方面，燃烧室内由于燃烧的存在，相同材料不同结构处的温度差异很大(400K-1500K)，同时由于飞行状态的不同，相同材料相同结构也会经历不小的温度变化。已知的是一般情况下金属的发射率会随温度的升高而升高，在燃烧室这种存在很大温度梯度的部件辐射换热计算中，必须采用随温度变化的发射率数据，否则会对计算的结果造成很大的误差。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供耐高温镍基合金材料的光谱发射率建模方法，包括如下步骤：

S1.根据待测耐高温镍基合金样件的服役环境确定样件的服役温度范围和波长范围；

S2、从样件的服役温度范围和波长范围中任意选取若干组测试温度和波长；针对每一组测试温度和波长，获取样件在当前测试温度和波长下的光谱发射率；

S3.基于若干组测试温度、波长和光谱发射率数据，拟合光谱发射率模型中的模型参数，得到样件的光谱发射率模型；

其中，所述光谱发射率模型为：