光子学报
2023, 52(12): 1214001
1 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 东北林业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
温度是评估弹药热辐射毁伤的重要参数。 弹药在引爆后会在极短时间内压缩周围空气并向四周猛烈释放出大量能量, 伴随着能量释放弹药介质会急剧升温并形成火焰场, 通过测量、 分析火焰场的真温值, 便可以得到爆炸火焰的空间热辐射毁伤效应。 由于爆炸过程的强破坏性和瞬态性, 爆炸火焰的测量主要是依靠辐射测温法。 在以往研究中, 已有学者针对爆炸火焰测量研制了相应的辐射测温仪器, 但目前所研制的仪器只能测量出爆炸火焰在单波长下的亮温场, 而单波长亮温场无法实现真温值的计算。 针对这一问题, 研制了一套多光谱热成像仪, 该仪器采用多幅分光技术, 可实现爆炸火焰在同时刻、 不同波长下的分光成像, 并利用高速CCD相机进行数据采集, 最后依据多光谱辐射测温理论反演出爆炸火焰真温场。 多幅分光技术是由远距离多孔分光镜头所完成的, 该镜头主要分为两个部分: 主成像镜头和分光镜头。 主成像镜头的功能是对远距离爆炸火焰进行聚焦成像, 其所成图像经由单凸透镜汇聚到正后方的多孔分光镜头上。 多孔分光镜头内置分光光栏, 光栏上可镶嵌不同波长的窄带滤光片, 当入射光透过光栏上的窄带滤光片后, 透射光便为被测目标的单波长辐射能量。 远距离多孔分光镜头可对500 m以内的爆炸火焰进行成像, 并依据实际需求将分光光栏设计为四分光结构, 同时为方便滤光片更换将分光光栏做成了可插拔的形式。 该镜头自重约为0.75 kg, 可通过法兰片直接安装在高速CCD相机上, 完全满足野外测量要求。 为验证仪器的有效性, 对1.660 9 kg的TNT进行了爆炸火焰真温场实验。 实验结果表明: 在爆炸后0.1 ms时出现最高温度值3 251 K, 随着时间推移, 真温场逐渐扩大, 但其最高温度值在逐渐降低; 当时间为0.6 ms时, 最高温度值为2 483 K。
爆炸火焰真温场 多光谱热成像仪 远距离多孔分光镜头 Explosive flame true temperature field Multi-spectral thermal imager Long-range multi-aperture spectroscopic lens 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3885
1 桂林理工大学环境科学与工程学院, 广西 桂林 541004
2 中国人民解放军军事科学院防化研究院, 北京 102205
乙腈广泛应用于医药、 化工等领域, 而乙腈属于易燃易爆化学品, 其引发的火灾事故具有极大的危害。 研究乙腈燃烧的温度场与浓度场、 火焰辐射光谱以探究其火灾污染特性具有重要实用价值。 首先采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)与Fluent数值模拟方法, 获取了5 cm尺度乙腈池火燃烧产物NO在20、 40、 60和80 s时刻的空间浓度值, 并结合CFD与FDS仿真模拟获取了不同时刻下乙腈燃烧温度场与浓度场信息。 其次, 采用所获取的乙腈火焰温度场和浓度场数据(将火焰划分为6个热力学平衡区域), 并基于HITRAN数据库内高温气体分子吸收系数与火焰总体辐射传输方程构建了乙腈火焰光谱辐射模型。 再次, 将所得乙腈浓度场与温度场数据代入火焰光谱辐射模型, 模型模拟计算结果与相同条件下乙腈火焰光谱实测数据进行对比, 以验证模型精度, 然后再与Radcal模型进行精度对比。 最后, 利用自行构建的火焰光谱辐射模型对燃烧特征污染产物NO进行了浓度反演。 结果表明: (1)5 cm尺度乙腈池火火焰温度范围为400~1 000 K, 在池火上方60~80 mm区域温度较高, 最高温度为945 K。 (2)在20、 40、 60和80 s时刻下5 cm乙腈池火燃烧产物NO的体积分数为0.005%~0.025 5%, H2O的体积分数为0.034 5%~0.062 5%, CO2的体积分数为0.055 5%~0.085 5%。 (3)自行构建了乙腈火焰光谱辐射模型, 模型模拟值与实测值对比得出, 燃烧产物中CO2特征峰处准确度最小为86.8%, 最大为88.7%; NO特征峰处准确度最小为79.6%, 最大为84.9%; H2O特征峰处准确度最小为84.6%, 最大为89.1%。 与Radcal模型计算的光谱辐射值进行对比, 自行构建的模型计算精度提升约10%。 (4)在5.62~5.66 μm主导波段, 乙腈燃烧特征产物NO在20、 40、 60和80 s时刻下的浓度反演精度分别为76.9%、 78.5%、 94.7%和81.3%。 此研究可为探测大尺度乙腈类化学品火灾的燃烧场信息以及遥感定量反演燃烧污染产物浓度提供基础与参考。
乙腈池火 燃烧浓度场 燃烧温度场 火焰光谱辐射模型 浓度反演 Acetonitrile pool fire Combustion concentration field Combustion temperature field Flame spectral radiation model Concentration inversion 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3690
1 山西大学自动化与软件学院,山西 太原 030006
2 西安航空职业技术学院航空高端制造工程研究中心,陕西 西安 710089
为改善熔覆层显微组织结构,强化42CrMo表面性能,基于42CrMo基材多道熔覆H13-TiC复合粉末,采用数值模拟与熔覆试验相结合的方式,探究不同熔覆功率下的温度对熔覆层显微组织和显微硬度的影响机理。基于材料性能的温变性构建激光熔覆模型,分析功率对熔覆层表面温度场以及残余应力场的影响机制。针对实验获得的H13-TiC复合熔覆层,采用扫描电镜分析其显微结构以及元素分布,研究TiC颗粒的形态分布与显微硬度之间的关系。结果表明:激光功率在2000 增大至2850 的过程中,第三条轨道熔覆状态下的温度峰值提升34.4%,2850 时高达3471.53 ℃;轨道表面的残余应力呈现中间大两头小的分布规律。熔覆层内部TiC细小颗粒的数量随温度升高而逐渐增加,功率为2850 时,TiC细小颗粒弥散较为均匀,TiC聚集区以外区域的显微硬度提升33%~50%。通过分析功率增大过程中轨道间温度场和残余应力场的变化规律,改善和提升了熔覆层显微组织结构和显微硬度,为激光熔覆技术在截齿材质42CrMo的应用方面提供了理论依据。
激光功率 温度场 残余应力场 熔覆层显微组织 熔覆层显微硬度 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2114001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室,上海 201800
2 中国科学院大学,北京 100049
钕玻璃激光放大片在热恢复后的剩余温度场对于光束退偏和波前畸变具有重要的影响。当冷却过程中出现不对称情形,将导致剩余温度场的不对称,从而影响到高功率激光光束发次之间的重复性。本文在对N41型钕玻璃四周包边侧弱冷和强冷所导致的剩余温度场分布特征进行模拟分析的基础上,重点研究了包边侧不对称冷却所导致的剩余温度场的变化。这种变化的程度与钕玻璃四周包边侧冷却的强弱有关,并进一步分析了由弱冷转为强冷时钕玻璃激光放大片的通光面和四周包边界面上各自的散热量。
材料 钕玻璃主放大片 有限元模拟 剩余温度场 不对称冷却 光束稳定性 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2116001
红外与激光工程
2023, 52(9): 20220902
1 桂林电子科技大学 光电工程学院,广西桂林54004
2 哈尔滨工程大学 纤维集成光学教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150001
为了制备高质量螺旋光纤器件,提出一种四电极电弧光纤加热的方法。基于磁流体动力学模型建立四电极电弧等离子放电的有限元仿真模型,研究了电极夹角、电极距离与施加电压对电弧放电温度场的影响。根据实际情况,进行了相应的温度场仿真计算,结果表明四电极电弧放电形成了较宽的恒温区,宽恒温区不仅有利于光纤应力的释放,同时减少了光纤偏移带来的影响。基于仿真结果,研制了四电极电弧放电的宽恒温区等离子热熔扭转加工系统,当系统中被加热光纤最高温度约为1 050 ℃时,被加热光纤轴向上的恒温区长度约为2.12 mm。用研制的系统制备了不同光纤与不同周期下的螺旋长周期光纤光栅,在波长1.21~1.3 µm,透射光谱的光强波动小于1 dB,光强平均值大于-1 dB;在波长1.3~1.35 µm,光强平均值大于-1 dB;最深的透射光谱波谷大于22 dB。为更进一步验证所研系统的性能,用单模光纤、偏芯光纤、偏双芯光纤制备了不同周期的螺旋光纤结构,结果显示加工得到的螺旋光纤结构的包层边界清晰且平直,无显著的螺纹结构;光纤中央芯无显著的螺旋加工痕迹;光纤偏芯光滑且连续。
四电极 电弧 等离子宽恒温场 高温光纤螺旋加工 four-electrode arc plasma wide constant temperature field high temperature fiber twisting processing 光学 精密工程
2023, 31(18): 2636
1 西安工业大学机电工程学院,陕西 西安 710021
2 精密与超精密加工及测量国家地方联合工程研究中心,陕西 西安 710021
基于冻结浆料的分层实体制造方法在多孔陶瓷3D打印领域具有应用潜力。为了研究冻结陶瓷浆料的激光切割过程,建立了CO2激光面热源热传导数学模型,采用COMSOL有限元仿真模拟激光扫描加热过程,以纯冰为理想材料,结合实验研究建立激光切割深度数学模型。结果表明,冻结陶瓷浆料的激光切割过程与传统非金属材料相似,“V”字形的气化切割区深度随激光能量密度的增大而增大;由于陶瓷颗粒的吸热和散射作用,在冻结陶瓷浆料切割区下方存在热影响过渡区,实际切割深度与纯冰激光切割理论深度存在差异,在理论模型中引入材料特性相关修正系数后可较好地符合实际切割规律,为冻结陶瓷浆料激光切割工艺参数选择提供了参考。
材料 激光切割 冻结材料 温度场 陶瓷浆料 3D打印 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1516003