基于有限元分析的传热仿真研究及黑体辐射源研制

论文摘要

红外遥感技术是地球观测系统的核心技术,广泛应用于气象、国防、防灾减灾和环境监测等诸多领域。近年来,由于红外遥感技术领域逐渐向高定量化、高光谱分辨、高位置分辨方向发展,对红外遥感领域的计量溯源提出了迫切的要求。因此,黑体辐射源的研制技术的提升迫在眉睫。黑体辐射源作为标准源(理想黑体的内部温场是均匀等温场),用来标定各种测量仪器,其控温稳定性和温场均匀性能必须维持较高的水平。然而,由于技术的限制,现实中制作的黑体辐射源其内部温场必然会存在着一定的温度梯度,这样就导致测量设备的标定精度不够精确。因此,如何提高黑体辐射源内部的温场均匀性,一直是测量设备标定工作中关注和研究的热点,同时也是黑体辐射源研制的难点。本文以真空黑体辐射源和非真空黑体辐射源为研究对象,主要针对黑体辐射源的温度场进行研究分析;通过完善黑体定标源结构以提高定标精度,并将研制的黑体辐射源进行实验测试,验证了仿真结果的正确性。论文主要研究内容如下:首先,通过查阅相关资料,梳理国内外黑体辐射源的发展现状,提出目前黑体辐射源研制过程中存在的问题以及在控制黑体辐射源温场均匀性遇到的瓶颈,扼要阐述本文研究的意义所在。其次,认真分解黑体辐射源的技术指标要求,创建三维模型,作合理的网格划分,确定边界条件以及需要施加的载荷,利用有限元分析软件对黑体辐射源进行传热研究,分析黑体辐射源的温场均匀性。通过对仿真结果的分析,调整相应参数,得到最优结果。然后,进行黑体辐射源的结构设计和温控系统设计。包括黑体的腔型结构、加热和制冷实现方式、温度传感器的选取及安装、接口和保温等关键部位的设计。温控部分用可变功率的电源模块为黑体提供功率,用模糊PID实现温度的调节,使得黑体辐射源的工作温度精确达到设定温度。最后,对已经加工好的黑体辐射源进行测试实验,将实验结果与仿真结果比较,验证仿真结果的准确性和可靠性。通过对黑体辐射源温场的传热仿真,很大程度上减少了黑体辐射的研制周期和研制成本,提高了黑体辐射源的温度均匀性,满足技术指标的要求。论文所涉及的科研成果对后期黑体辐射源的研制具有一定的参考意义,也对以后温场均匀性以及温度测量设备的定标工作有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外发展现状
•     1.2.1 黑体辐射源研究现状
•     1.2.2 基于有限元分析的传热仿真研究现状
•   1.3 传热分析在黑体辐射源研制中的必要性
•   1.4 本文的主要研究内容
•   1.5 本章小结
• 第2章 理论基础
•   2.1 黑体辐射理论
•     2.1.1 热辐射
•     2.1.2 黑体辐射定律
•   2.2 传热基本理论
•     2.2.1 传导
•     2.2.2 对流
•     2.2.3 辐射
•   2.3 基于有限元分析的传热仿真理论
•     2.3.1 FLUENT
•     2.3.2 ANSYS
•     2.3.3 Comsol Multiphysics
•   2.4 本章小结
• 第3章 高精度真空黑体辐射源研制
•   3.1 300 口径高精度真空黑体辐射源的技术指标
•   3.2 基于有限元分析的传热仿真研究
•     3.2.1 物理模型的建立
•     3.2.2 网格的划分
•     3.2.3 边界条件及载荷的确定及施加
•     3.2.4 计算结果
•   3.3 300 口径高精度真空黑体辐射源研制
•     3.3.1 高发射率黑体空腔结构设计
•     3.3.2 温控设计
•     3.3.3 测试实验
•     3.3.4 结果分析
•   3.4 优化设计
•     3.4.1 优化方案的提出
•     3.4.2 优化方案的仿真分析与实验验证
•     3.4.3 结果分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 长波辐照度标准装置研制
•   4.1 技术指标及使用要求
•   4.2 方案设计
•   4.3 基于有限元分析的传热仿真研究
•     4.3.1 三维模型的建立
•     4.3.2 网格划分
•     4.3.3 边界条件及载荷的确定及施加
•     4.3.4 传热仿真分析
•     4.3.5 结果分析
•   4.4 长波辐照度标准装置研制
•     4.4.1 结构设计
•     4.4.2 温控方案设计
•     4.4.3 测量系统
•   4.5 测试实验与结果分析
•     4.5.1 温场均匀性实验
•     4.5.2 温场稳定性实验
•     4.5.3 结果分析
•   4.6 本章小结
• 结论
•   总结
•   展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 常稼强

导师: 郝小鹏,孙建平

关键词: 计量学,黑体辐射源,传热仿真,温场均匀性,有限元分析

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,物理学,工业通用技术及设备,动力工程,核科学技术

单位: 成都理工大学

分类号: TK124;TB115;O571.436

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000757

总页数: 82

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