羽流的红外辐射特性计算
羽流的红外辐射特性计算
成志铎
（南京理工大学动力工程学院，南京 210094）
摘要：为了研究坦克尾向的红外辐射特性，利用计算流体力学软件FLUENT对坦克尾向流场进行数值模拟。模拟不同的排气速度、不同的喷口数目、不同的尾气成分以及有无风速这四种工况,进而分析这四种不同工况下的速度场、压力场、浓度场、温度场的分布情况，以及各个面的红外辐射量的对比，得出各个因素对辐射量影响的大小。由模拟结果可以看出有无风速对各个面辐射量影响最大；在喷口数目不同时左右两个侧面的红外辐射量的改变都接近50%；在出口速度增加了67%时，右侧面的辐射量约增加1.6倍；不完全燃烧比完全燃烧尾气对上表面的辐射量增加了21%。这些模拟结果一定程度为坦克排气的红外辐射特征研究提供了依据。
关键词：羽流坦克排气流场红外辐射
引言
从第二次世界大战以来，坦克在战争中一直作为地面战的主要进攻型武器。发挥了很大的威力，越来越多的国家在研制先进的反坦克武器。在这些反坦克武器中装有红外识别传感器，用以对坦克进行识别从而进行攻击。另一方面，坦克红外伪装隐身技术也在向前发展。为了提高这些武器的识别与反识别能力，必须对坦克目标本身在不同工作状态下，相对于不同地物背景下的红外辐射特性进行深人细致地研究。［1］
而为了提高坦克的机动性、攻击性和防护性等性能，坦克发动机的功率不断升高，柴油机燃烧气体的温度以及燃烧产生的废气量大大增加，柴油机标定工况时的排气温度可达800 K以上。坦克排出的废气中主要二氧化碳和水蒸气组成的，其光带均位于红外线的波长范围，这样会使坦克防护性能下降，因此对其尾气红外的计算对坦克是非常重要的。而要研究坦克排气的红外热辐射特征，首先需要了解排气流场与温度场的分布情况。［2］由于羽流的实际实验比较难做，所以大多是通过模拟，来验证处理方法的正确性，再应用于实际情况中。而在以前的研究方法中，在流场及壁温计算中采用了较简单的处理方法，没有将排气系统的三维流场计算、壁温计算与红外辐射计算结合起来。同时，计算结果缺乏与实测数据的比较和检验，不能适应工程应用的要求。本次设计将会采用FLUENT软件模拟出坦克发动机羽流的三维速度场、压力场，温度场以及浓度场，从而非常直观地看出尾气羽流的过程，为排气系统羽流的红外辐射特性的分析研究做出了具有工程应用价值的工作［3］。
1 控制方程
假设坦克的运行处于某一稳定的工况，即可以认为发动机的排气流动不随时间的变化而改变，所以可以当做稳态问题处理。本文采用三维、稳态、可压的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、标准双方程湍流方程、组分方程、do方法来描述坦克的尾气的流动及辐射传热问题：
连续性方程（质量守恒方程）：
()
()
[()]
m j
m m
j j j
u
D
t x x x
ρ
ρρ
ρ
ρ
?
???
+=
????
（1）
动量方程（运动方程）：
()2()()3j i j ij j j j
u u u P k t
x x x ρρρσ????+
=-+???? （2） 能量方程：
()()(),Pr j j j j j j p
m
j m m j j
u J E u E P t x x x c T J K
D h K x x ρρρεμρρρ????
+=--+??????=--=??∑ （3）
组分方程： ()()j j j
j j R y m y vm y um x +???
?
????Γ??=??+??ρρ （4） 标准ε-k 模型的湍动能k 和耗散率ε方程：
κρεσμμρκρκS Y G G x k x u x t M b k j k t j i i +--++???
???????????
?
?
+??=??+??)()( （5）
εεεεερεεσμμρερεS k C G C G k C x x u x t b k j k
t j i i +-++???
??????????? ?
?+??=??+??2
231)()()( （6） DO 辐射方程
［4］
：
442
(,))()(,)(,)(,')'4s
s T r s s a I r s an I r s s s d π
σσσππ
→→→
→→
→→
→→
??++=+
ΦΩ?
（7）
此外对于可压缩流体，需要补充采用气体状态方程和热力学关系作为上述基本控制方程的补充：
0P m
m
m
R T W ρ=∑
（8）
()m vm E c T T =? （9）
0m m m
R T
h E W =+
（10） ()m
m m
E E
ρρ
=
?
∑ （11） ()()m
p pm m
c T c T ρρ=
?∑ （12）
联合以上所有方程，构成一个封闭方程组。
2 模拟过程
2.1 建立模型
图1计算区域三维实体模型图2 三维模型网格划分后的正视图
数值计算模拟的第一个步骤是建立几何模型。按照坦克排气管实际的尺寸，本文的计算模型如图1所示，前面的一段圆管为排气管，后面的立方体为计算的区域。为了能够准确的描述流场，立方体足够大，尽量将最多的尾气都包含在内，这里取一个三维空间（8m×7m ×6m）进行模拟。喷管长0. 5m，直径0.15m（这里对喷管进行了很大的简化，没有考虑实际的样子，因为本文关心的是外流场的参数性质，这样简化是可以接受的）。
2.2 利用Gambit生成网格
数值计算模拟的第二个步骤是在建立的模型上正确划分网格。在本文中对模型进行非结构化网格的生成，采用四面体的小单元进行划分，由于区域较大在保证计算结果准确性的情况下，为了计算方便网格划分不是非常的紧密（interval count=30）。三维模型网格划分的正视图如图2所示。
2.3 边界条件
表2.1和2.2分别是本次设计模拟中无风速和有风速的情况下各个面边界条件的选择情况：
2.1 无风速情况各个面的边界条件
对象边界条件
左侧面右侧面上面底面前面背面压力入口压力出口压力出口压力出口压力出口压力出口
喷口喷管
速度入口（出口速度分别为10、8、6m/s）
固定壁面（定温T=400K）
2.2 有风速情况各个面的边界条件
对象边界条件
左侧面右侧面上面底面前面背面喷口喷管
压力入口
压力出口
压力出口
压力出口
速度入口
压力出口
速度入口（出口速度分别为10、8、6m/s）固定壁面（定温T=400K）
2.4 研究的工况
本文为了更好了解尾气羽流的辐射特性，模拟了坦克在不同的排气速度、不同的喷口数目、不同的尾气成分以及有无风速这四种情况。根据一些经验参数，本文的分别模拟尾气速度为10m/s，8m/s，6m/s的情况。由于在实际环境中往往都有风速，根据一般实际情况中风速大概为4m/s。具体的速度工况按照表2.3进行模拟。
单喷管尾气速度（m/s）双喷管尾气速度（m/s）风速（m/s）
10 5 0
4
8 4 0
4
6 3 0
同样对于尾气混合气体的定义是非常重要的，本次模拟只对尾气进行两种情况的分析：不完全燃烧和完全燃烧。具体的尾气成分工况按照表2.4进行模拟。
组分不完全燃烧成分(%) 完全燃烧成分(%)
CO2 O2 CO2 CO H2O C
0.74
0.01
0.13
0.006
0.11
0.004
0.76
0.13
0.11
3 模拟结果与分析
3.1 喷口不同排气速度及工况的对比分析
在无风速的情况下不同排气速度所形成流场的各种参数是不同的，图3.1显示了不同喷口速度Z=1截面上速度分布的对比，图3.2显示了不同喷口速度Z=1截面上温度分布的对比，图3.3显示了不同喷口速度Z=1截面上压力分布的对比，这里仅以出口速度10m/s和6m/s 为例进行说明。
(a) (b)
图3.1 不同喷口速度Z=1截面上速度分布的对比（m/s）
(a) 出口速度V=10m/s (b) 出口速度V=6m/s
(a) (b)
图3.2 不同喷口速度Z=1截面上温度分布的对比（T）
(a) 出口速度V=10m/s (b) 出口速度V=6m/s
(a) (b)
图3.3 不同喷口速度Z=1截面上压力分布的对比（Pa）
(a) 出口速度V=10m/s (b) 出口速度V=6m/s
而对于同一条线上（这里取喷口轴线以及在流场中的延长线，即从点(-4.5,-2,1)到点(4,-2,1)的线上）各种参数的变化趋势如下几个图所示：
(a) (b)
图3.4 流场中喷口轴线上气体速度的变化趋势
(a) 出口速度V=10m/s (b) 出口速度V=6m/s
(a) (b)
图3.5 流场中喷口轴线上气体温度的变化趋势
( a) 出口速度V=10m/s (b) 出口速度V=6m/s
(a) (b)
图3.6 流场中喷口轴线上气体压力的变化趋势
(a) 出口速度V=10m/s (b) 出口速度V=6m/s
当喷口拥有不同出口速度时，对应面上的辐射量是不同的，表3.1体现出口速度由6m/s
增加到8m/s再增加到10m/s时各个面上的辐射量大小的对比。
表3.1 不同喷口速度空间六个表面的辐射量（W）
对象喷口V=6m/s时的辐射量喷口V=8m/s时的辐射量喷口V=10m/s时的辐射量左侧面-9.9921541 -11.263824 -11.810088
右侧面正面背面上面底面-1.5827879
-8.8917103
-3.265908
2.2983766
-7.2715669
-2.5712221
-11.679297
-4.4984775
3.083117
-9.4650517
-4.1365137
-14.376228
-5.6879339
4.4203677
-11.498411
小结：图3.1显示出了尾气从喷口流出后速度在空间区域内迅速减小，流场扩散的范围很广。两图对比可以发现出口速度越小，在模拟的区域内速度扩散范围相对就越大。
图3.2显示出了高温气体产生的浮升力使得气体流场能够迅速上升。两图对比可以发现在尾气的温度相同时出口速度越小越能体现出浮升力的作用。因为排气速度越小，排气方向上传输的距离越小，此时高温气体产生浮升力而使气体获得上升的速度就越能体现出来。
图3.3显示出了尾气出了喷口后经过一段距离后会在空间内扩散看，两图对比可以看出出口速度越小压强越容易在空气中大面积散开。因为速度越小在遇到相同的空气阻力时，越容易分散，进而体现在压强的分布上。
图3.4可以看出在尾气从喷口流出后速度快速下降在距离出口0.5m的地方速度下降了60%。距离喷口出口0.5m出速度会有一个波动，没有一直减小而是有一段保持不变，而且稍微有些增加后再减少，只是由于产生湍流，在流场内存在回流而引起的局部速度增加。
图 3.5显示出了尾气从喷口流出后温度快速下降在距离出口0.5m的地方速度下降了150K。两图对比可以看出出口排气速度越小在下降相同温度时，气体在排气方向上的传输距离越短。
图3.6看出压强在喷口段变化不大，出了喷口后出口速度V=10m/s的情况压强下降到X=-1.5m处然后压强保持不变。而出口速度V=10m/s的情况压强下降到X=-2m处然后压强保持不变。可以看出尾气的速度对此方向压强分布有影响。
由表3.1六个面的辐射量可以看出出口速度越大（即出口流量越大）辐射量越大。根据数据可以看出各个面随着出口速度的增加，辐射量增加的多少是不同的，并不是简单的线性关系。右侧面在速度由6m/s增大到10m/s时辐射量变化最大，约增大了1.6倍，可以看出排气速度对此面的辐射量影响比较大。因为排气速度大小直接影响了此方向上尾气流动的距离，从而对温度场影响比较大，进而各个面的辐射量是不同的，同样在这个方向上的辐射量影响也是最大的。
这里对于表3.1中辐射量的数字进行说明，负值说明此面时是吸收能量，正值说明此面向外辐射能量。之所以有面会向外辐射能量，是因为流场的温度改变了此面的温度，在综合了吸收和发射的能量，该面总体还是向外辐射能量，进而体现出了辐射量为正的情况。本文中所有关于辐射量的表格中出现的正负值意义均如上所述。
3.2 单喷口与双喷口的对比分析
在相同的排气量时定值时，双喷口的速度应该是单喷口排气速度的一半（假设双喷口时二者完全相同）。单喷口排气速度V=10m/s，则理论上双喷口排气速度V=5m/s。具体的流场对比如下：
(a) (b)
图3.7 不同喷口速度Y=-2截面上速度分布的对比（m/s）
(a) 单喷口 (b) 双喷口
(a) (b)
图3.8 不同喷口速度Y=-2截面上温度分布的对比（T）
(a) 单喷口 (b) 双喷口
(a) (b)
图3.9 不同喷口速度Y=-2截面上压力分布的对比（Pa）
(a) 单喷口 (b) 双喷口
在喷口数量不同时，对应面上的辐射量应该是不同的，表3.2就体现出了这种情况下各个面上的辐射量大小的对比。
表3.2 不同喷口数量时空间六个表面的辐射量（W）
对象单喷口的辐射量双喷口的辐射量
左侧面右侧面正面-11.810088
-4.1365137
-14.376228
-17.143875
-2.6677518
-17.950203
背面上面底面-5.6879339
4.4203677
-11.498411
-5.2034335
4.0275774
-12.370485
小结：由图3.7可以看出单喷口排气对于速度场的影响没有双喷口排气大，是由于双喷口排出的气体能够相互影响，从而使流场中出现了更大的扰动，能使尾气的速度扩散到更大的范围。
由图3.8可以看出单喷口尾气温度能在排气流动方向上传播更远（其排气速度快），而双喷口能在垂直于尾气传播的方向上使空间产生更大范围温度场。说明了双喷口对于垂直尾气传播的方向的流场能产生很大的扰动。
由图3.9可以看出在Y=-2这个面上，双喷口使得一个很大区域内的压强都会受到影响，而单喷口使空间范围的压强的受到影响就小的多。两图对比可以看出双喷口更能对空间的流场产生扰动，从而对空间的压强分布产生影响。
从表3.2中双喷口与单喷口在六个面的辐射量上相比，双喷口对紧靠喷口的左侧面影响很大，约增加了50%，而对于右侧面少了将近50%，这说明了对于单喷口和双喷口他们对于周围六个面的辐射量影响最大的是左右两个侧面，对于其他四个面的影响不是很明显。所以如果想减小左侧面的辐射量，应避免采用双喷口。
3.3 有风速和无风速的对比分析
在相同的排气速度的情况中，不同的实际环境风速会对流场产生很大影响。下面就对有无风速的情况进行对比，坦克排气速度V=10m/s，风向和坦克运动方向一致（即坦克迎风前进）假设风速V=4m/s。具体流场对比如下：
(a) (b)
图3.10 不同喷口速度Y=-2截面上速度分布的对比（m/s）
(a) 无风速 (b) 有风速
(a) (b)
图3.11 不同喷口速度Y=-2截面上温度分布的对比（T）
(a) 无风速 (b) 有风速
(a) (b)
图3.12 不同喷口速度Y=-2截面上压力分布的对比（Pa）
(a) 无风速 (b) 有风速
而对于同一条线上（这里取喷口轴线以及在流场中的延长线，即从点(-4.5,-2,1)到点(4,-2,1)的线上）各种参数的变化趋势如下几个图所示：
(a) (b)
图3.13 流场中喷口轴线上流场速度的变化趋势
(a) 无风速 (b) 有风速
(a) (b)
图3.14 流场中喷口轴线上气体温度的变化趋势
(a) 无风速 (b) 有风速
(a) (b)
图3.15 流场中喷口轴线上流场压力的变化趋势
(a) 无风速 (b) 有风速
在实际环境中由于存在风的影响，因此有无风速的两种情况，得到对应面上的辐射量应该是不同的。表3.3就体现出了这种情况下各个面上的辐射量大小的对比。
表3.3 有无风速时空间六个表面的辐射量（W）
对象无风速的辐射量有风速的辐射量
左侧面
右侧面
正面
背面
上面
底面
-11.810088
-4.1365137
-14.376228
-5.6879339
4.4203677
-11.498411
-8.2514648
-1.0371236
-4.4209075
3.7616081
-1.3987219
-8.686018 小结：由图3.10和图3.13可以看出风速对于空间内流场影响非常大，尾气排出后风速会对尾气产生巨大影响，有风速时尾气在距离喷口1m的地方就完全被风速所影响，因为尾气排出的速度在空气阻力的影响下降低的非常快。
由图3.11和3.14可以看出风速对温度分布影响非常大。由于风速使得高温尾气向着风速吹动的方向流动的非常快，进而使得温度分布呈现出图3.11所示。
由图3.12和3.15可以看出在有风速的情况下除了排气部分，绝大空间里压强是相同的。由于风速产生动压的影响，压强才会产生如图的分布。
由表3.3可以看出风速对于六个面辐射量分布大小是非常大的，改变最大的是背面，使得其辐射量由-5.6879339变为 3.7616081。同样对于上表面改变也很大，使得辐射量由4.4203677变为-1.3987219。对于右侧面辐射量减小了75%，正面的辐射量减小了70%。这是由于风向是向着背面的所以高温气体都被吹向背面，使得更少的高温气体对上表面产生影响，因此可以看出有无风速对于实际各个面的辐射量的影响是很大的。所以在实际有风速的情况时，探测坦克红外辐射应该考虑风向和风速的影响，这对坦克红外辐射是非常重要的。
3.4 尾气不同成分的对比分析
尾气的成分不同说明坦克的内部工况是不同的，柴油完全燃烧和不完全燃烧产生的影响是不同的，对于气体辐射应该也是有所影响的。本文中完全燃烧时的成分和不完全燃烧时的成分见表2.4。表3.4就体现出了这两种情况下各个面上的辐射量大小的对比。
表3.4 尾气不同成分时空间六个表面的辐射量（W）
对象不完全燃烧的辐射量完全燃烧的辐射量
左侧面右侧面正面背面上面底面-11.810088
-4.1365137
-14.376228
-5.6879339
4.4203677
-11.498411
-13.05516
-3.4694595
-14.644999
-5.6445785
3.4843812
-11.285959
小结：由表3.4可以看出完全燃烧后左侧面吸收的红外辐射量比不完全燃烧增加了10%；出完全燃烧后右侧面吸收的红外辐射量比不完全燃烧减少了16%；出完全燃烧后上表面吸收的红外辐射量比不完全燃烧减少了21%。而对于其他三个面的影响不大。所以对于坦克发动机的燃烧性能的研究是有必要的，不同成分对于空间面的红外辐射影响是比较大的。
4 结论
从上面对模拟数据的结果分析可以看出：
首先，通过喷口尾气排气速度的不同，流场的区别是很大的，就对红外辐射量来说，出口速度越大右侧面和上表面的红外辐射量就越大。因此控制好尾气出口速度在一定程度上就能影响各个面上的辐射量。
其次，在相同的排气量，不同喷口数量对于流场的影响是非常大的。同样对于红外辐射量的影响也是非常大，尤其是对左右两个侧面的红外辐射量的影响都是接近50%。所以对与喷口个数的选择对各个面红外辐射量的影响是值得注意的。
再次，由模拟可知尾气成分不同也会对红外辐射量产生影响，所以在实际情况中应该注意坦克发动机的工作状态的研究，对其的研究对于红外辐射的特性研究有重要的意义。
最后，在实际环境中由于存在风，根据分析有无风速对于空间流场的分布影响很大。由上面的模拟可知，风速对于红外辐射量的影响很大，尤其是在迎风面上和上表面的影响非常大。所以在实际情况测量坦克红外辐射量时，特别要考虑风速风向的影响。
参考文献
[1] 易军凯,朱江森.坦克红外辐射特性的研究[J].测试技术学报，1997，11（2）:41-45.
[2] 毕小平,杨雨.坦克排气流场与温度场的计算流体力学分析[J].兵工学报，2008，29（9）:1025-1028.
[3] 金捷，朱谷君，徐南荣，张小英. 发动机高速排气系统红外辐射特性的数值计算和分析[J].航空动
力学报，2002，17（5）: 582-585.
[4] 谈和平,夏新林,刘林华等.红外辐射特性与传输的数值计算—计算热辐射学[M].哈尔滨:哈尔滨工业
大学出版社,2006,69-99
[5] 韩占忠, 王敬, 兰小平. Fluent—流体工程仿真计算实例与应用[M]. 北京:北京理工大学出版社,
2004. 19-26.
作者简介
成志铎，男，研究生，2009年考入南京理工大学动力工程学院热能工程专业进行硕士学习。
红外辐射材料
红外辐射材料 精细产业技术2007-06-16 14:01:03 阅读516 评论1 字号：大中小订阅 1 一种建筑玻璃用隔离红外辐射薄膜材料 一种建筑玻璃用隔离红外辐射薄膜材料，由基层和功能层构成，基层为透明的介质薄膜衬底材料，用于改 善膜的力学性质。所述功能层的厚度在3纳米到2000纳米之间，由一种、两种或两种以上的介质膜构成， 介质膜包含至少一层金属介质膜或者至少一层介电介质膜，也可以由多层的金属膜和介电介质膜构成。选 择二氧化钛或者氧化锆等对紫外强烈吸收的介质用于所述功能层中的介电介质膜或者基层中介质材料，在 隔离红外的同时具备紫外防护能力。通过调节该材料的纳米颗粒尺寸可以覆盖部分或者整个紫外区域，在 保证可见光区域透明的同时可完全隔离红外辐射并且有较强的防紫外的功能，从而达到节能、保健的功能。 2 一种碳材料的高温远红外辐射电热体及其制备方法 本发明提供一种碳材料的高温远红外辐射电热体及其制备方法，该高温远红外辐射电热体的发热元件为碳 毡、碳布、石墨毡、石墨布、碳/碳复合材料板片、碳/石墨复合材料板片之一组成。其发热元件的碳含量大 于95％，氧含量低于0.005％，电阻率在(0.001～100)Ω.cm之间。电热体的绝缘体的外部涂覆具有远红外 辐射特性的陶瓷薄膜层。本发明还提供了一种高温远红外辐射电热体的制备方法。本发明的高温远红外辐 射电热体可应用于民用、保健和工业等领域，具有使用寿命长，高热高效等特点。 3 黑色陶瓷红外辐射材料 通常红外辐射陶瓷价格昂贵,以提钒尾渣为原料之一制造的黑色陶瓷具有0.83-0.9的红外辐射率而价格低 廉.本发明所述的黑色陶瓷红外辐射材料是在原料中除提钒尾渣外再加入钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、 锌、锆、铌元素及其化合物一种或一种以上,使所述的陶瓷具有0.9-0.95的红外辐射率. 4 具有特殊医疗效果的红外辐射材料及芯片 本发明的红外辐射复合材料，以单质和化合物形式的过渡元素和稀土元素为主要成分。用此复合材料制成的芯片作为辐射元件，在工作温度下加热，可以发射出能产生特殊医疗效果的红外辐射，发射谱线的波长在２～２５微米范围内，比辐射率为０．８５～０．９５。 5多晶矿化黑陶瓷红外辐射材料及应用 一种多晶矿化黑陶瓷远红外辐射材料，属于红外辐射材料领域。本发明提供新的远红外辐射材料，是由 铬铁矿、钛铁矿、锆英砂等矿物原料中一种或一种以上组成，或由９０％（重量）这三种矿物原料中二种 或二种以上辅以１０％（重量）化工原料组成。$本发明提供的远红外辐射材料，可用作远红外加热基础材 料外，还可加入适量陶土后烧成灯型、板型、管状等各种远红外加热器件。 6高效红外辐射材料的制备方法 本发明属于高效红外辐射材料的制备方法。$材料组成为Ｆｅ２Ｏ３５０－７０％，ＺｎＯ２５－１５％， ＳｎＯ２１－３％Ｎｉ２Ｏ３２０－２５％Ｃｏ２O３４－７％于硝酸盐水溶液中加热，ｐＨ＝５－６，搅拌成 粥状经１１０℃烘干，５００－６００℃焙烧１．５－２小时，１１５０－１２００℃焙烧１０－１５小 时，研成２００目即可。$该辐射材料结构稳定，寿命长，在３０－８００℃内，从２．５－２５μｍ范围 内，辐射率均达９５％以上，能量分布半宽度为５μｍ。 7 一种红外辐射材料的烧结方法 一种红外辐射材料的烧结方法，以原料成分为特征。粉状原料中至少含有锆英砂２６—７０％、三氧化二 铁３—７％、氧化铬４—７％、苏州陶土２３—３３％、刚玉粉２７—４１％、氧化钴１—５％，再和入
红外光学材料大全
红外光学材料 1,进口CVD硒化锌(ZnSe)红外光学材料 CVD硒化锌（ZnSe）是一种化学惰性材料，具有纯度高，环境适应能力强，易于加工等特点。它的光传输损耗小，具有很好的透光性能。是高功率CO2激光光学元件的首选材料。由于该红外材料的折射率均匀和一致性很好，因此也是前视红外（FLIR）热成像系统中保护窗口和光学元件的理想材料。同时，该材料还广泛用于医学和工业热辐射测量仪和红外光谱仪中的窗口和透镜。 CVD ZINC SELENIDE Transmission Wavelength in Micrometers (t=8mm) 光学性质： 透过波长范围0.5μm---22μm 折射率不均匀性（Δn/n）<3×10- 吸收系数（1/cm） 5.0×10-3@1300nm 7.0×10-4@2700nm 4.0×10-4@3800nm 4.0×10-4@5250nm 5.0×10-4@10600nm 热光系数dn/dT(1/k,298—358k) 1.07×10-
折射率n随波长的变化（20℃） 理化性质： 激光损伤阈值：（10600nm脉冲激光，脉冲宽度=15μs） 2，进口CVD硫化锌（ZnS）红外光学材料
CVD硫化锌是一种化学惰性材料，具有纯度高，不溶于水，密度适中，易于加工等特点，广泛应用于红外窗口，整流罩和红外光学元件的制作。和硒化锌（ZnSe）一样，硫化锌（ZnS）也是一种折射率均匀性和一致性好的材料，在8000nm—12000nm波段具有很好的图像传输性能，该材料在中红外波段也有较高的透过率，但随着波长变短，吸收和散射增强。与硒化锌（ZNSE）相比，硫化锌的价格低，硬度高，断裂强度是硒化锌的两倍，抗恶劣环境的能力强，非常适合用于制造导弹整流罩和军用飞行器的红外窗口。 透过率曲线： CVD ZINC SULFIDE Transmission(CVD硫化锌) Wavelength in Micrometer (t =6mm) CLEARTRAN Transmission（多光谱CVD硫化锌） Wavelength in Micrometers (t=9.4mm) CVD硫化锌多光谱CVD硫化锌 密度(g . cm-3 @ 298k) 4.09 4.09 电阻率(Ω. Cm) ~1012~101.3
红外透射材料
红外透射材料 能透过红外辐射的材料，用于制造红外仪器的部件，如红外探测器的窗口、红外仪器光学系统的透镜和棱镜等。对这些材料的要求是：①能透过所需波段的红外辐射；②有尽可能高的透射比；③机械强度高；④化学稳定性好。 若红外透射材料是平板型，当红外辐射投射到它的表面上时，部分被反射，其余进入体内。进入体内的有一部分被吸收,剩余部分透射过去。若吸收比为α，反射比为ρ，透射比为τ(都是对入射辐射功率之比而言)，则α＋ρ＋τ＝1。红外透射材料要求有尽可能大的τ，α、ρ应尽可能小。后两者皆取决于物质的微观结构。 α决定于物质内部的辐射吸收过程，如晶格振动吸收所引起的基本吸收，分子晶体中的分子振动和转动所引起的特征吸收，以及半导体中电子从价带跃迁到导带的本征吸收。这些都是材料所固有的辐射吸收过程。此外,尚有杂质吸收、自由载流子吸收,多晶体中晶粒间界的散射所引起的辐射衰减也相当于吸收。固体材料中任一个固有的辐射吸收过程，都会在某一波段引起相当大的吸收。因而τ必然很小。因此,红外透射材料的透射波段只能选择在没有这类固有吸收过程的波段内，而且其他吸收也必须降低到可以忽略的程度,即α≈0。这样,就只有反射的损失。 反射有漫反射和镜面反射两种。漫反射与表面光洁度有关，越光洁漫反射率就越低。必须设法将这部分反射损失降低到可忽略不计的程度。镜面反射与材料的折射率有关。在没有吸收的波段,对于垂直投射的辐射,其反射率为 式中n为材料的折射率。反射率是指一个面上反射辐射功率与入射辐射功率之比。通常在测量时，把红外透射材料做成有两个平行表面的薄板。当进入材料的辐射碰到第二个表面时，也有部分被反射,回到第一个表面,而且又有部分辐射透出表面，与第一次反射辐射叠加。因而实际测量的反射比是多次反射的叠加，其结果为 折射率越大，反射率和反射比就越大。有些半导体材料的折射率大致为4。因此，在透明区反射损失约为 53％。这一反射损失，可用增透膜的办法予以减小。
电致变发射率材料在红外隐身技术中的应用
电致变发射率材料在红外隐身技术中的应用 摘要 目标的红外辐射特性主要受温度和发射率影响，因而调节目标发射率已成为红外隐身技术的重要手段。电致变发射率器件具有发射率调节范围广、变发射率速率快、稳定性好等优点，在红外隐身技术领域具有巨大的应用潜力。本文介绍了电致变发射率器件的应用机理，重点综述了WO3、聚苯胺、聚噻吩及其衍生物三种电致变发射率材料的国内外研究进展，并总结了电致变发射率器件的实用化情况。 关键词电致变色可变发射率材料WO3聚苯胺 Applications of Electrochromic-based Variable Emissivity Materials in Infrared Stealth Technology Infrared radiation characteristics of the target are mainly controlled by emissivity and temperature, emissivity modulation has been applied as a significant method in infrared stealth technology. Electrochromic-based variable emissivity devices have presented broad potential in infrared stealth technology field due to their numerous advantages such as large emissivity modulation range, fast switching rate, and superior stability. In this paper, the applied mechanism of electrochromic-based variable emissivity device has been introduced, and the research progress of electrochromic-based variable emissivity materials, especially tungsten oxide, polyanilines and polythiophenes have been reviewed in detail. In the last part, the practical development of these devices has been concluded. Keywords: Electrochromism; Variable Emissivity Materials; Tungsten oxide;Polyaniline 1引言 近年来，随着红外探测技术的不断发展，红外隐身技术已成为地面和空中目标必不可少
提高红外辐射涂料辐射特性途径的分析
钢铁研究 RESEARCH ON IRON & STEEL 2000 No.3 P.34-37 提高红外辐射涂料辐射特性途径的分析 欧阳德刚 周明石 张奇光 罗安智 摘 要 从电介质晶体的光谱吸收过程出发,综合分析了各有关因素对其红外辐射特性的影响,提出了改善红外辐射涂料辐射性能的途径,为红外辐射涂料的理论研究和充分发挥其在工业炉窑上的节能效果提供了理论素材。 关键词 红外辐射涂料 晶格振动 自由载流子 光谱吸收 辐射特性 ANALYSIS ON ROUTE TO IMPROVEMENT IN RADIATION QUALITY OF INFRARED RADIATION PAINT Ouyang Degang Zhou Mingshi Zhang Qiguang Luo Anzhi (Wuhan Iron & Steel Corp.) Synopsis Starting from the process of spectral absorption of the electrolytic crystal the present paper comprehensively analyzed factors affecting the feature of infrared radiation and pointed out the proper route to improvement in the radiation quality of the infrared radiation paint, thus providing a theoretical basis for further theoretical study as well as for bringing into full play its role of energy saving in the industrial furnace and kiln. Keywords infrared radiation paint lattice vibration free charge carrier spectral absorption radiation quality 1 前 言 红外辐射涂料以其优越的辐射特性愈来愈为世人瞩目,尤其在高温工作条件下的工业炉窑中,炉内传热以辐射为主。通过合理使用红外辐射涂层,强化炉内辐射传热不仅可以提高加热速度,还能改善加热质量和炉温均匀性,获得良好的节能效果。然而,由于各种炉窑实际工作温度的不同,辐射光谱峰值波长随之而变;同时由于各种红外辐射涂料的光谱吸收特性的差异,导致红外辐射涂料在工业炉窑中的应用效果高低不一［1］。针对上述问题,本文分析了电介质晶体的光谱吸收过程及各有关因素对其光谱吸收特性的影响,探讨了改善红外辐射涂料辐射特性的途径及提高其应用效果的方法。 2 电介质晶体的光谱吸收过程 电介质晶体是由原子、分子、离子、电子等粒子构成,其光谱吸收特性便是这些粒子与电磁波之间相互作用的结果。电介质晶体的光谱吸收大致有以下几种形式:(1)基本吸收;(2)自由载流子吸收;(3)晶格吸收;(4)杂质吸收等。以下逐一分析各种形式的吸收过程。 2.1 基本吸收过程 基本吸收过程是指晶体中电子吸收光子后,由价带跃迁到导带的过程。显然,只有当光子能量h.v大于电子禁带宽度E g时,才能实现这种电子激发过程［2,3］即: h.v≥E g (1)
过渡金属氧化物系红外辐射材料的制备
万方数据
万方数据
第２期雷中伟等：过渡金属氧化物系红外辎射材料的制备５ ５８８、５８０ｃｍ～，在此蜂底波数方恳还有一个较弱的吸收谱带。可见体系随Ｆｅｚ０。的增加和Ｍｎ０２的减少，振动吸收频率向低频方向移动。这是由予尖晶石孛每个０２～被一个露霹体阳离子饔３个八面体阳离子所共有，故其振动频率与０２＿与阳离子间的键力有关，体系中随Ｆｅ含量增加和Ｍｎ禽量减少，Ｍｎ２＋、Ｍ帮＋逐渐被半径较小的Ｆｅ计、Ｆｅ２＋离子所代替，从而减弱了金属离子与氧离子之间的键强，导致吸收谱带红移。 ４。４ＸＲＤ分析 图４是各样品的ＸＲＤ图谱，经查对［引，Ｘ２０撵最的主晶楣炎ＣｏＭｎ。Ｏ；立方尖晶石结构，其他样晶主晶楣均为ＮｉＭｎ。０４尖晶石结构。随Ｆｅ含量增加，结晶更趋完整，且衍射峰有微小的向大角度方向的移动，这说明晶体的熬格有微弱减小趋势，这是由予Ｆｅ离子较Ｍｎ离子稍小，所弓｜起的晶格畸变也较小，这不利于辐射率在整个红外波段的平稳。 ４．５ＳＥＭ分析 对Ｘ２０与Ｘ６０样品进行了扫描电镜断面观溅。 从图４可以看出，Ｘ２０样品的晶粒较为均匀，晶粒平均直径大约７～１０ｔｔｍ，来发现有异常的大熬粒产生。Ｘ６０样髭燕粒不均匀，最大晶粒直径约为６０弘ｍ，另外空洞面积较大，空洞周围形成大缀微细晶粒。 ４。６发射率影晌医素分耩 据欧阳德刚等人［６］的研究，材料在５ｔＬｍ以上波段的红外辐射主要源于二声子或多声子组合辐射，覆在２．５～５萍ｍ波段主要源予体系审电子跃迁。故通过多种离子掺杂一方面可以使晶格发生畸变，降低晶格振动对称性，从筒增强二声子或多声子组合辐射；男一方面可淡提供更多的电子鞔道能级，从而增强短波段辐射能力。 图４Ｘ２０、Ｘ６０样品的ＳＥＭ图片 表２薅系孛冀挚半径季珏，≮覆体择位锈 离子半径（Ａ）ＯＳＰＥ（Ｃａｌ／ｇ） 体系中Ｆｅ：０３、Ｍｎ０２元索为主组分，Ｆｅ２０。在约９０６℃时转变为Ｆｅ３＋Ｏ。（Ｆｅ２＋，Ｆｅ３十）反尖晶石结构，ＭｎＯ。在约９６６℃时转变为Ｍｎ２十（Ｍｎ３＋）。０。的正尖晶石结构。由于体系中有Ｃｏ、Ｃｕ等过渡金属离子，可形成多种置换型尖晶石，其置换位置主要巍离子半径与其八露然择位熊（ＯＳＰＥ）确定，体系中离子的半径与择位能如表２ｃ ８｜。 圭表２中可知，尖晶石续梅孛八蹰体蕴置主要有Ｍｎ３十、Ｃ０３＋、Ｃｕ２＋、Ｃｏ抖、Ｆｅ２＋等离子，四面体位置主要有Ｍｎ抖、Ｆｅ抖、Ｆｅ２十等离子。 在蘸格常数为ａ酶理想蟊，玉立方晶俸缝擒中，四面体空隙中心位置间距为ａ／２，八面体空隙中心位置间距为（一／２／２）ａ，四筒体空隙与八面体空隙中心位置之闻阉距为（√３／４）ａｏ］。因此，当不同过渡金属离子填隙于邻近空隙中时，在四面体位置与八麟体位置之阀酶离子最爨发生离子闻的电子跃迁，从而导致短波辐射。因此，要提高上述材料红外辐射性能，应使各种离子尽量分布在邻近戆四瑟俸与八垂体位墨；又躁尖晶石巾只有１／８的四面体空隙与ｌ／２的八两体空隙填充离子，若所有离子的八面体占位能均相近，则必然尽量分散填充，使离子阗阕距较大，影嚷壹离子阅电子转移导致的红外发射，故选择八面体占位能相差较大的多种离子混合掺杂将有利于红外发射率的提高。 ５结论 ５。１剃备了ＸＦｅ２０３：（８０一Ｘ）Ｍｎ０２：１０Ｃｏ。０３：１０ＣｕＯ（ｗ％）系列材料，其巾Ｘ＝２０时材料红外辐射率最高，其全辐射率为０．８８，且在各波段辐射率均较高，其结构为ＣｏＭｎ。Ｏ。立方尖 晶石结构。 万方数据
隐身材料红外光谱特性评价方法改
隐身材料红外光谱特性评价方法 华兰冀克俭周彤邓卫华 （中国兵器工业集团第五三研究所，济南250031） 摘要：对隐身材料光红外谱特性评价方法展开了综述。分别介绍了近红外分光光度计光谱反射率测定方法、热红外成像技术、热红外发射率测定方法以及高光谱成像方法。通过人工绿与自然绿色物体的光谱反射率实验提出了近红外隐身材料与实际地物背景存在的差异及其需要改进的技术。 关键词：隐身材料红外光谱特性评价 红外隐身技术主要是通过降低或改变目标的红外辐射特征来实现目标对红外系统的低可探测性，具体措施包括改进热结构设计、对主要发热部件进行强制冷却、表面涂覆红外隐身涂料、使用红外伪装网和遮障等。随着红外隐身技术的发展与应用，对各种红外隐身技术的隐身效果评价方法研究已成为军事红外技术中新的研究热点。 在各国军事领域中，对红外隐身技术的研究已经开展了约30年，现有研究成果主要集中在利用红外成像系统对目标及背景进行探测，形成红外热图像，并通过人眼对目标进行发现或识别以得出主观结论的经验方法、测定红外隐身材料热辐射特性的算术方法以及基于红外目标可探测性模型的计算机模型方法。以上方法均有其优缺点，但目前尚未有一种适合于军事工程应用并能客观、准确、简便、快速地评价红外隐身效果。 1 隐身材料光谱特性评价方法 1.1 野外条件下近红外伪装检测 现有的近红外伪装检测器材在野外条件下有一定的局限性，基于对自然绿色与人工绿色的光谱差异进行的分析，结合绿色检验镜的检测原理，赵会超等〔1〕在绿色检验镜光谱透射特性检测原理的基础上提出了在野外条件下窄波滤光片的近红外伪装检测方法，验证了其检测效果，探讨了其在军事上的应用。 由于自然绿在近红外区反射很大，而一般的人工绿则反射很小。因此提出采用窄波滤光片的方法。根据自然绿色和人工绿色的光谱反射曲线的不同，在滤光片的制作中选择一系列的波段，做成不同波段的滤光片，然后对人工绿色和自然背景进行照相，通过对比其效果来进行检测。检测近红外伪装效果是使其在数码相机上成像，通过观察照片效果就可以很明显地看出目标在近红外区的反射情况。 1.2 热红外照相机 热红外伪装材料是指用于减弱武器系统热红外特征信号，以达到伪装技术要求的材料。热红外伪装材料具有阻隔武器装备热红外辐射的能力，同时在大气窗口波段内具有低的红外发射率。按照作用原理，红外隐身材料可分为控制发射率和控制温度两类。军事伪装通常采用迷彩变形方法，三色或四色迷彩涂料具有不同的热红外发射率，使目标在热图中呈现灰度不同的斑点，从而分割目标外形，造成敌方识别困难。
羽流的红外辐射特性计算
羽流的红外辐射特性计算 成志铎 （南京理工大学动力工程学院，南京 210094） 摘要：为了研究坦克尾向的红外辐射特性，利用计算流体力学软件FLUENT对坦克尾向流场进行数值模拟。模拟不同的排气速度、不同的喷口数目、不同的尾气成分以及有无风速这四种工况,进而分析这四种不同工况下的速度场、压力场、浓度场、温度场的分布情况，以及各个面的红外辐射量的对比，得出各个因素对辐射量影响的大小。由模拟结果可以看出有无风速对各个面辐射量影响最大；在喷口数目不同时左右两个侧面的红外辐射量的改变都接近50%；在出口速度增加了67%时，右侧面的辐射量约增加1.6倍；不完全燃烧比完全燃烧尾气对上表面的辐射量增加了21%。这些模拟结果一定程度为坦克排气的红外辐射特征研究提供了依据。 关键词：羽流坦克排气流场红外辐射 引言 从第二次世界大战以来，坦克在战争中一直作为地面战的主要进攻型武器。发挥了很大的威力，越来越多的国家在研制先进的反坦克武器。在这些反坦克武器中装有红外识别传感器，用以对坦克进行识别从而进行攻击。另一方面，坦克红外伪装隐身技术也在向前发展。为了提高这些武器的识别与反识别能力，必须对坦克目标本身在不同工作状态下，相对于不同地物背景下的红外辐射特性进行深人细致地研究。［1］ 而为了提高坦克的机动性、攻击性和防护性等性能，坦克发动机的功率不断升高，柴油机燃烧气体的温度以及燃烧产生的废气量大大增加，柴油机标定工况时的排气温度可达800 K以上。坦克排出的废气中主要二氧化碳和水蒸气组成的，其光带均位于红外线的波长范围，这样会使坦克防护性能下降，因此对其尾气红外的计算对坦克是非常重要的。而要研究坦克排气的红外热辐射特征，首先需要了解排气流场与温度场的分布情况。［2］由于羽流的实际实验比较难做，所以大多是通过模拟，来验证处理方法的正确性，再应用于实际情况中。而在以前的研究方法中，在流场及壁温计算中采用了较简单的处理方法，没有将排气系统的三维流场计算、壁温计算与红外辐射计算结合起来。同时，计算结果缺乏与实测数据的比较和检验，不能适应工程应用的要求。本次设计将会采用FLUENT软件模拟出坦克发动机羽流的三维速度场、压力场，温度场以及浓度场，从而非常直观地看出尾气羽流的过程，为排气系统羽流的红外辐射特性的分析研究做出了具有工程应用价值的工作［3］。 1 控制方程 假设坦克的运行处于某一稳定的工况，即可以认为发动机的排气流动不随时间的变化而改变，所以可以当做稳态问题处理。本文采用三维、稳态、可压的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、标准双方程湍流方程、组分方程、do方法来描述坦克的尾气的流动及辐射传热问题： 连续性方程（质量守恒方程）： () () [()] m j m m j j j u D t x x x ρ ρρ ρ ρ ? ??? += ???? （1）
电致变发射率材料在红外隐身技术中的应用
电致变发射率材料在红外隐身技术中的应用 Prepared on 24 November 2020
电致变发射率材料在红外隐身技术中的应用 摘要 目标的红外辐射特性主要受温度和发射率影响，因而调节目标发射率已成为红外隐身技术的重要手段。电致变发射率器件具有发射率调节范围广、变发射率速率快、稳定性好等优点，在红外隐身技术领域具有巨大的应用潜力。本文介绍了电致变发射率器件的应用机理，重点综述了WO3、聚苯胺、聚噻吩及其衍生物三种电致变发射率材料的国内外研究进展，并总结了电致变发射率器件的实用化情况。 关键词电致变色可变发射率材料 WO3聚苯胺 Applications of Electrochromic-based Variable Emissivity Materials in Infrared Stealth Technology Infrared radiation characteristics of the target are mainly controlled by emissivity and temperature, emissivity modulation has been applied as a significant method in infrared stealth technology. Electrochromic-based variable emissivity devices have presented broad potential in infrared stealth technology field due to their numerous advantages such as large emissivity modulation range, fast switching rate, and superior stability. In this paper, the applied mechanism of electrochromic-based variable emissivity device has been introduced, and the research progress of electrochromic-based variable emissivity materials, especially tungsten oxide, polyanilines and polythiophenes have been reviewed in detail. In the last part, the practical development of these devices has been concluded. Keywords: Electrochromism; Variable Emissivity Materials; Tungsten oxide; Polyaniline 1引言