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气动光学头罩热辐射效应数值仿真研究

应用光学 2012年第4期33卷 649-653页

作者：范志刚于翠萍肖昊苏张旺哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心黑龙江哈尔滨150001

气动热环境下高速飞行器的光学头罩由于受气动热效应作用,其温度急剧升高,产生严重的气动热辐射效应。为评估气动热环境下高速飞行器光学头罩热辐射对探测系统性能的影响,采用有限光线代表连续辐射的方法,并引入热瞳概念建立了气动光学... 详细信息

气动热环境下高速飞行器的光学头罩由于受气动热效应作用,其温度急剧升高,产生严重的气动热辐射效应。为评估气动热环境下高速飞行器光学头罩热辐射对探测系统性能的影响,采用有限光线代表连续辐射的方法,并引入热瞳概念建立了气动光学头罩热辐射传输计算模型并对气动光学头罩自身干扰辐射光线在光学系统内的传输进行了数值仿真,考察了光学头罩温度场为非均匀分布时其自身干扰辐射在探测器接收面的辐照度分布。研究结果表明:由头罩顶点求得的热瞳是光学头罩热辐射能的公共入口,它可将光线追迹的时间减小至追迹全部光线所需时间的十几分之一;根据探测器接受面干扰辐射随时间的变化趋势可知在飞行数秒后头罩干扰辐射将淹没目标信号,气动光学头罩热辐射效应不容忽视。

关键词：气动光学光学头罩热辐射效应光线追迹法

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考虑热辐射效应的锂离子电池热—力耦合分析

考虑热辐射效应的锂离子电池热—力耦合分析

作者：刘进福州大学

学位级别：硕士

锂离子电池因为具有能量密度高、充放电压高与环保耐用等特点被广泛应用在储能系统和电力驱动系统。然而,电池在工作时因为电阻和发生电化学反应等因素产生的热量使电池温度持续上升,一旦进入热失控状态就可能引起电池自燃。此外,温升... 详细信息

锂离子电池因为具有能量密度高、充放电压高与环保耐用等特点被广泛应用在储能系统和电力驱动系统。然而,电池在工作时因为电阻和发生电化学反应等因素产生的热量使电池温度持续上升,一旦进入热失控状态就可能引起电池自燃。此外,温升使锂离子电池发生膨胀变形。当变形过大时,电池结构容易破坏。显然,电池在充放电过程中涉及热和变形的问题。本文考虑外部环境的热辐射效应,对电池工作过程中的热-变形(力)耦合问题展开相关研究,探究锂离子电池内部温度和应力的变化规律。所得结果有望为电池安全性能提升提供理论指导。本论文的主要研究内容及结论如下:(1)基于热传导理论,考虑电池的产热及对流散热与热辐射效应,建立了圆柱型锂离子电池的传热模型。然后探讨了热辐射系数、放电倍率、环境温度及对流换热系数对电池温度场的影响。研究结果发现:热辐射系数越大电池散热越快,达到热平衡时间越短;放电倍率越大,热辐射的散热效果越显著;环境温度越低,热辐射的散热效果越显著;对流换热系数越小,热辐射的散热效果越显著。(2)基于传热理论和弹性理论,考虑对流散热、热辐射效应、动态热源及热-力之间的相互影响,建立了圆柱型锂离子电池动态热源的热-力双向耦合模型。然后对热传导模型和热-力耦合模型的温度场进行了比较分析并探讨了辐射换热对温度场和应力场的影响。数值结果表明:热-力耦合模型计算的温度比仅考虑热传导计算的温度低;电池应力随初始温度、放电电流、对流换热系数、辐射系数和电阻增大而增大;热-力耦合模型考虑热辐射效应能够降低温度,但是也会增大环向应力和径向应力。(3)基于(2)建立的热-力耦合模型,考虑电池外侧包覆铝层,推导了圆柱型电池-铝双层结构热-力耦合数学模型;然后探讨了不同铝层厚度对温度和应力的影响并分析高温环境下不同时刻的温度场和应力场变化。研究结果发现:铝层有利于加快锂离子电池散热,降低电池内部温度并且铝层越厚电池内部温度越低,但是铝层也增大了电池内部应力。因此工程实际中,在满足散热要求的前提下应当尽可能减少铝层厚度并且有必要对电池内部应力场进行仿真分析,避免应力超过电池承受极限;在高温环境下电池的温度和应力都会增大,最大应力为交界面处的环向应力。

关键词：热-力耦合热辐射效应锂离子电池双层结构

白光集群式LED光输出估算及热流分析法确定热辐射效应

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中国照明电器 2004年第5期 28-30页

作者：王东旭北京电光源研究所北京100022

研究白光集群式LED(massed LEDs)光源的光输出属性及其温升效应特点。在白光集群式LED光源的散热解决方案中 ,我们发现其在较大正向电流下的光输出衰减减少。关于白光集群式LED光源的热辐射热流分析法表明散热装置对不同材料光源底板有... 详细信息

研究白光集群式LED(massed LEDs)光源的光输出属性及其温升效应特点。在白光集群式LED光源的散热解决方案中 ,我们发现其在较大正向电流下的光输出衰减减少。关于白光集群式LED光源的热辐射热流分析法表明散热装置对不同材料光源底板有效 ,包括铝和玻璃环氧树脂。还确定LED的部件温度在额定照明条件下可保持低于 6 0℃。

关键词：荧光粉白光集群式LED 光输出估算热流分析法热辐射效应

H_2/Air/CO_2点火过程中的热辐射和化学反应效应

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工程热物理学报 2012年第6期33卷 1065-1068页

作者：张伟阔陈正孔文俊北京大学工学院湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871 中国科学院工程热物理研究所北京100190

本文采用基于详细化学反应机理的化学反应流自适应数值模拟技术,研究了添加二氧化碳对氢气/空气预混气体点火的影响,获得了不同当量比下最小点火能随稀释率的变化情况。本文引入最小点火能的热辐射敏感度与化学反应敏感度,重点分析了CO_... 详细信息

本文采用基于详细化学反应机理的化学反应流自适应数值模拟技术,研究了添加二氧化碳对氢气/空气预混气体点火的影响,获得了不同当量比下最小点火能随稀释率的变化情况。本文引入最小点火能的热辐射敏感度与化学反应敏感度,重点分析了CO_2的热辐射效应和化学反应效应对最小点火能的影响。研究结果表明二氧化碳的热辐射效应和化学反应效应只有在接近极限稀释率时才会导致最小点火能有显著升高。

关键词：氢气/空气/二氧化碳最小点火能热辐射效应化学反应效应

颗粒堆积床辐射–导热耦合传热等效导热系数参数化分析

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工程热物理学报 2024年第1期45卷 152-156页

作者：付金余罗明罡赵军明哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150001

颗粒堆积床在高温气冷堆等工业生产中有重要应用。对于事故下颗粒床核反应堆被动冷却的安全性分析,热辐射是最重要的传热机制。本文以表征颗粒堆积床辐射–导热耦合传热过程的传热特性的等效导热系数为研究对象,采用反向离散坐标光线追... 详细信息

颗粒堆积床在高温气冷堆等工业生产中有重要应用。对于事故下颗粒床核反应堆被动冷却的安全性分析,热辐射是最重要的传热机制。本文以表征颗粒堆积床辐射–导热耦合传热过程的传热特性的等效导热系数为研究对象,采用反向离散坐标光线追踪法与有限体积法结合求解颗粒床内热辐射–导热耦合传热,获得等效导热系数。与半经验模型进行对比并分析颗粒直径、颗粒导热系数和发射率对等效导热系数的影响。结果表明,长短程模型相比较其它模型,可以更好地预测颗粒床的等效导热系数,并且随着颗粒直径、颗粒导热系数以及发射率增加,颗粒床的等效导热系数显著增加。研究结果有助于理解颗粒堆积床中的辐射传热作用,为颗粒堆积床传热分析提供参考。

关键词：颗粒堆积床热辐射效应辐射换热等效导热系数

考虑热辐射的动力电池散热性能分析及结构优化

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考虑热辐射的动力电池散热性能分析及结构优化

作者：鲍荣清华东交通大学

学位级别：硕士

随着新能源电动汽车的兴起,有关锂离子动力电池的一系列问题也伴随而生,其中,动力电池热管理问题尤为突出。动力电池在高放电倍率或极端工况下工作时中心温度会急剧上升,高温严重影响动力电池的使用寿命及热安全性能。故需设计有效的散... 详细信息

随着新能源电动汽车的兴起,有关锂离子动力电池的一系列问题也伴随而生,其中,动力电池热管理问题尤为突出。动力电池在高放电倍率或极端工况下工作时中心温度会急剧上升,高温严重影响动力电池的使用寿命及热安全性能。故需设计有效的散热方法,对高温条件下的动力电池进行冷却,将电池模组的最高温度维持在最佳工作温度范围内(如:锂离子电池为25℃～40℃)。本文以7块3.2V15Ah的方形软包串联电池模组为研究对象,在验证了电池单体热模型精度的基础上,考虑了不同形式的热辐射效应对2C倍率放电条件下的电池模组最高温度的影响。同时,针对动力电池的高温散热问题,设计了一种递进式散热方案并对散热结构进行优化。详细研究内容如下:(1)调研了国内外主流的车用动力电池的布置形式,以及其对应的主流的冷却方式,介绍了动力电池的工作原理和生热机理。对1C倍率放电条件下的电池单体进行热特性仿真,并与实验所得温度数据进行拟合,验证了电池热模型和热物性参数的准确性。通过HPPC实验测得不同SOC值条件下的电池实际内阻,计算出电池生热量,为后续仿真试验提供理论基础。(2)考虑了不同形式的热辐射效应对电池模组最高温度的影响,研究表明:在自然对流条件下,热辐射系数越高电池模组的最高温度越低。在冬季或夏季极端工况下工作的动力电池的温升受环境影响较大,随着环境温度的升高,热辐射效应对动力电池最高温度的影响越突出,且考虑热辐射效应后电池模组的最高温度普遍低于考虑热辐射效应之前。当对流换热系数h≤35W·m·K时,考虑热辐射效应后可以提高电池热模型仿真的精确度;当35W·m·K热辐射效应对电池温升的影响较小可根据需求综合确定是否考虑热辐射效应的影响;当h>45W·m·K时,热辐射效应对电池模组的温升几乎没有影响,故此时不考虑热辐射效应不仅不会影响电池模组热模型的精确度,而且可以简化电池热模型。(3)在自然对流条件下,当电池模组以2C倍率放电时,其最高温度达72.79℃,远高于推荐温度。于是,本文设计了铝板(方案一)、铝板+热管(方案二)、铝板+热管+翅片(方案三)递进式冷却方案。采用方案一时最高温度为66.39℃;采用方案二时最高温度为59.18℃。在研究方案三时,考虑到翅片参数的多样性,文章采用4因素3水平的正交试验研究翅片参数对电池模组最高温度的影响,结合极差法和层次分析法得出翅片各参数对电池模组最高温度的影响权重排行分别为:翅片数量(A)>翅片尺寸(D)>翅片位置(B)>翅片间距(C)。并确定了翅片参数的最优组合A3B2C1D3。然而,进一步研究发现翅片间距在自然对流条件下对最高温度的影响极小,可忽略不计。但是,在强制对流环境下研究翅片间距对电池模组最高温度的影响时发现:强制对流条件下翅片间距越大,最高温度越低。该结论可用于工程实际。在自然对流条件下,可适当减小翅片间距来提高散热系统的紧凑性且不影响散热效果,而在强制对流条件下须综合考虑。(4)建立了锂离子动力电池热特性实验平台验证文章中仿真结果的准确性,主要包括:电池单体的热特性试验、最优参数组合的电池模组温升试验以及强制对流条件下不同翅片间距对电池模组最高温度影响实验。研究结果表明:仿真温度与实验温度的最大误差均控制在5%以内。

关键词：动力电池热管理热辐射效应热管温度场

基于NURBS曲面的气动光学校正及其DSP实现

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基于NURBS曲面的气动光学校正及其DSP实现

作者：叶国庆武汉工程大学

学位级别：硕士

当高速飞行器在稠密的大气层中以高速或超高速飞行时,气流与探测器光学头罩相遇时受到压缩而被阻滞,在头罩表面附近形成边界层,动能被耗散而转变成热能,使头罩周围的气流温度升高,形成复杂的高温高速流场,对光学成像探测系统造成热辐射... 详细信息

当高速飞行器在稠密的大气层中以高速或超高速飞行时,气流与探测器光学头罩相遇时受到压缩而被阻滞,在头罩表面附近形成边界层,动能被耗散而转变成热能,使头罩周围的气流温度升高,形成复杂的高温高速流场,对光学成像探测系统造成热辐射干扰和对图像传输造成干扰,导致探测目标图像饱和度低,图像模糊、信噪比低、目标边缘细节不清晰,目标形状轮廓和纹理信息不足等问题,这就是气动光学热辐射效应和气动光学传输效应。为了有效地检测识别目标,必须对具有气动光学效应的退化图像进行校正与复原。针对以上问题,我们展开如下研究:首先,针对气动光学热辐射效应退化图像,我们提出了一种基于NURBS曲面拟合的热辐射效应校正算法。具体为使用高斯金字塔对气动光学效应退化图像进行预处理,同时完成退化图像平滑高频信息滤波和图像数据信息下采样两项预处理目标。然后利用高斯金字塔处理后图像分别计算待拟合图像像素点行方向与列方向的节点矢量,并利用行方向与列方向的节点矢量构建NURBS曲面的基底函数矩阵,依据弦长划分法对拟合像素点的行方向与列方向进行参数化操作,构建NURBS曲面,拟合气动光学热辐射效应层。退化图像减去拟合热辐射效应层,最后对输出的潜在清晰图像进行图像像素增强和归一化,输出最终的清晰图像。将高斯金字塔和NURBS曲面拟合引入热辐射效应校正,较大的提升了复原速度和效果。其次,针对较复杂的气动光学热辐射效应退化图像,因为热辐射效应层会对传输效应点扩散函数的估计产生很大影响,一般的方法为先去热辐射效应再传输效应,但是残留的热辐射效应层依旧会对影响后续去除传输效应,因此我们提出了另一种基于NURBS曲面拟合和正则化约束的热辐射效应迭代校正算法。将高斯金字塔和NURBS曲面拟合热辐射效应层作为预输入量,并通过L2范数约束数据项和L1范数约束先验项的构建交替迭代优化框架,迭代求解热辐射效应层和清晰图像的病态问题,极大的解决了残留的热辐射效应层的影响,后续进行去除传输效应的结果也更加准确。再进一步,我们提出了基于NURBS曲面拟合正则化约束的热辐射效应和传输效应联合校正算法,通过L2范数约束数据项,L1范数约束清晰图像先验项,L2范数约束热辐射效应层和点扩散函数,在一个框架里同时解决两个问题。我们分别利用仿真退化图像和部分真实图像进行测试,论文提出的理论在仿真热辐射效应与传输效应退化图像和真实热辐射效应退化图像上显示出优良的效果,实验数据和复原结果验证了提出方法的有效性和重要意义。最后,在硬件平台TI Key Stone C66x多核心TMS320C6678 DSP上,完成气动光学校正算法的代码移植,并利用Message Q和Open MP进行多核并行加速,完成气动光学热辐射校正算法的硬件实现。

关键词： NURBS曲面拟合热辐射效应传输效应高斯金字塔交替迭代

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基于曲面拟合和正则化约束的非均匀校正研究

基于曲面拟合和正则化约束的非均匀校正研究

作者：李汝洲武汉工程大学

学位级别：硕士

在高速飞行器的飞行过程中,受到空气的阻力和压力等因素的影响,导致周围气流形成复杂的流场。同时,飞行器与周围气流相互作用会引起气动加热现象,而气动加热产生的热辐射效应会影响飞行器上的光学成像探测系统,降低其精确制导和探测水... 详细信息

在高速飞行器的飞行过程中,受到空气的阻力和压力等因素的影响,导致周围气流形成复杂的流场。同时,飞行器与周围气流相互作用会引起气动加热现象,而气动加热产生的热辐射效应会影响飞行器上的光学成像探测系统,降低其精确制导和探测水平。为了避免热辐射效应对成像质量的影响,需要选择合适的探测视角、光谱带宽和红外窗口材料,以及有效的窗口冷却技术。然而,这种物理校正的方法造价昂贵且操作复杂。为解决光学成像系统中气动热辐射对成像的影响,迫切需要研究和开发针对气动热辐射的校正技术。目前,算法多采用基于梯度域稀疏表示模型的方法针对气动加热引起的热辐射效应进行校正,对去除高频气动热辐射噪声效果显著。然而,这些算法在解决具有低频特性的气动热辐射偏置场问题上却存在不足。为了准确估计气动热辐射退化图像中的偏置场,本文提出了基于曲面拟合和正则化约束的气动热辐射校正模型,并采用Split Bregman算法进行迭代,精确估计气动热辐射偏置场以解决现有算法面临的问题。本文的主要研究内容和创新点如下:(1)针对采用梯度域稀疏表示的热辐射校正模型对于气动热辐射偏置场校正的不足,提出了基于高斯曲面拟合正则化约束的非均匀校正方法:首先通过滤波和图像分层获得初始的热辐射偏置场;其次利用退化图像中气动热辐射偏置场具有平滑性的特征,使用高斯曲面对热辐射偏置场进行曲面拟合,从而将热辐射偏置场完整且真实的表现出来;然后添加正则化约束提高校正模型的准确性和稳定性,限制热辐射偏置场的取值范围并避免噪声的干扰;最后通过迭代求解估计出热辐射偏置场和潜在清晰图像。(2)在现有模型的基础上结合Retinex算法的优势和多项式拟合复杂曲面的能力,提出了基于曲面拟合与Retinex正则化约束的非均匀校正方法。首先,利用Retinex算法在对数域获取光照分量作为热辐射偏置场的初始值;其次高斯曲面拟合方法在复杂曲面情况下往往存在欠拟合问题,为此,本文采用多项式曲面拟合以更精确地拟合热辐射偏置场;然后,为了提高算法的收敛速度和精度,我们引入正则化约束和梯度先验,并利用迭代方法求解热辐射偏置场和潜在清晰图像;最后,为了改善图像的视觉效果,提高图像的清晰度我们对迭代校正后的图像进行自适应对比度调节。通过测试气动热辐射仿真图像和热辐射真实退化图像,并与采用梯度域稀疏表示的非均匀校正算法对比,实验结果表明,本文提出的算法在视觉效果和客观评价上均取得了优异的结果。

关键词：气动光学热辐射效应非均匀校正图像分层曲面拟合正则化约束

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整流罩气动加热对成像影响建模与仿真

整流罩气动加热对成像影响建模与仿真

作者：高希磊西安电子科技大学

学位级别：硕士

红外成像制导技术逐渐成为高速精确制导飞行器的发展趋势，但高速飞行器在大气中飞行时，由于受气动热效应作用，其整流罩的温度急剧升高，产生严重的气动热辐射效应，对成像系统形成辐射干扰，使红外图像噪声增加，导致光学成像探测系... 详细信息

红外成像制导技术逐渐成为高速精确制导飞行器的发展趋势，但高速飞行器在大气中飞行时，由于受气动热效应作用，其整流罩的温度急剧升高，产生严重的气动热辐射效应，对成像系统形成辐射干扰，使红外图像噪声增加，导致光学成像探测系统成像质量下降，制导精度也因此而降低。本文主要研究整流罩的气动热辐射效应对成像质量影响的建模，实现整流罩的气动热辐射效应的仿真。首先，对整流罩进行三维网格的划分，然后由整流罩与空气摩擦产生的温度场，计算出整流罩表面的表面温度场变化，再根据球坐标系下的导热过程的能量方程及整流罩的材料和几何尺寸，采用有限差分法计算出整流罩的温度分布。其次，根据整流罩的温度分布和透明介质中红外辐射传输基本方程计算得到辐射强度分布。然后，依据平方反比定律计算得到红外探测器上整流罩热辐射所产生的辐射照度，利用热瞳的方法确定整流罩上微元体在探测器上的成像范围及位置，将辐射照度添加成像系统的物理效应生成受整流罩气动热辐射影响的模糊图像。最后，编写程序对整流罩的气动热辐射效应对成像质量影响进行仿真，并以文本的形式输出整流罩的温度场。由仿真的结果可以看出，本文对整流罩的气动热效应对红外成像的影响建立的模型是可行的。

关键词：整流罩热辐射效应气动加热仿真