高温陶瓷涂层辐射率测量研究(4)
A.Delmas和 L. Robin-Carillon等人在2009年设计出一套用于测量稳态和非稳态下氧化钇稳定氧化锆和氧化铝陶瓷涂层光谱辐射率的装置。采用高聚能弧形灯作为加热源,利用滤光片消除2.7μm以下的辐射，这样光谱范围2.5μm -15μmFT-IR检测到的辐射均来自样品。实验中测量了烧结的氧化锆和等离子喷涂的氧化铝1000 ℃以上的光谱辐射率，测量精度优于5%[10]。
K. Nakazawa和A. Ohnishi利用Christiansen效应，设计出同时测量陶瓷涂层表面温度和光谱辐射率的实验装置。该装置采用He–Ne激光器作为加热源，光谱范围1.6μm-22μm，测量的温度范围为373K-1673K[11]。
通过上述半透明材料光谱辐射率的测量发展进层可以看出：基于傅里叶分析光谱仪的能量法和多个辐射特性参数的同步测量是近年来主要的发展方向,也代表了辐射率测量的最高水平。目前该方法可以达到的技术指标:测量的温度范围从- 20 ℃到2 000 ℃,测量波段从可见光到25μm 以上,测量时间在1～3 s ,测量精度优于3 %[3]。
1.3 测量中存在的问题
尽管原理很简单但实际测量却有许多的限制：
1）、加热方式的选择，有封闭式和非封闭式两种。封闭式常见的是炉式加热，其优点是炉内的温度均匀且可以获知样品的温度。对于不透明材料或者等温半透明材料是比较好的，但对于非等温半透明材料而言炉内的高温会加强样品内的散射，而且炉内加热温度一般低于1600K。非封闭式加热常见的有火焰、电阻丝和激光加热。火焰加热会使样品内部产生温度梯度，待测光谱也会吸收H2O 和CO2，还会遇见火焰下的高温测量问题。激光加热会在样品中产生横向和径向的温度梯度。
2）、样品和参考黑体的光学路径必须等效，实际中经常共用一个光学路径，是否容易实现有待进一步研究。
3）、样品的厚度。样品厚度过大，会给实验中样品的放置，检测透射辐射带来困难。
4）、高温陶瓷涂层样品表面温度的测量。传统的热电偶易腐蚀且在高温下性能下降，热电堆需要用到辐射率故无法测量。以开发的测量装置大多利用Christiansen效应，在其波长下反射率和透射率为0，只有吸收类似于黑体，再利用普朗克函数便可推出表面温度。
1.4 本课题的主要研究内容
通过对氧化锆高温陶瓷涂层内导热-辐射耦合传热的理论分析，建立起物理模型、界面辐射特性和传热边界条件。采用双热流法求解发射、吸收、各向同性散射灰介质一文辐射传输方程，结合控制容积法数值模拟稳态下涂层内的辐射与导热耦合换热。利用数值模拟获得的光谱强度场进行辐射率的理论计算。在此基础上，可以进一步考虑涂层的厚度、反照率等对内部温度梯度和辐射率的影响。
除了上述理论测定高温陶瓷涂层的辐射率，本次研究中还利用积分球法实验测定室温下玻璃、玻璃-氧化锆涂层、氧化铝的光谱辐射率，将室温下的辐射率值作为高温下的参考值，将实验值与数值计算的理论值进行比较和分析，并结合文献中的相关测量结果验证该计算方法和计算程序的准确性。
2 高温陶瓷涂层辐射率数值模拟
高温半透明陶瓷涂层一侧与金属基底接触，接收来自基底的辐射，在涂层内存在导热和辐射耦合换热过程，使得涂层内有一定的温度梯度。描述涂层内传热的主要定律有：能量守恒定律和辐射传输方程。本章根据涂层内的传热特点，介绍相关的物理模型和数值算法，获得辐射率的理论值。
2.1 陶瓷涂层光谱辐射率的理论定义
半透明陶瓷作为热涂层的应用越来越多，但文献中记载这种材料的光谱辐射率由于材料特性的不同显示出很大的差异，比如密度，颗粒尺寸，纯度，表面粗糙度，内部温度梯度等。因此，我们必须考虑辐射率的概念，因为对于半透明材料它是一个体特性，相反对于不透明材料，认为是表面特性。在样品内部的温度场确定时，自由界面处的光谱辐射率定义如下：
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