本文由論文團(tuán)隊(duì)撰稿

發(fā)射率是表征固體表面輻射特性的核心參數(shù)，在傳熱分析、紅外偽裝、非接觸式輻射測(cè)溫、紅外傳感、遙感等科學(xué)研究和工程應(yīng)用中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。

獲取準(zhǔn)確清晰的發(fā)射率特性在以上領(lǐng)域非常重要，然而固體表面的發(fā)射率并非恒定，它受到溫度、表面成分、涂層、氧化等影響而動(dòng)態(tài)變化(圖1)。

圖1：影響固體表面發(fā)射率的因素

眾多科研人員針對(duì)溫度、表面成分、氧化、涂層對(duì)發(fā)射率的影響機(jī)理開展研究，并建立出根據(jù)表面溫度、氧化時(shí)間等參數(shù)預(yù)測(cè)發(fā)射率的數(shù)學(xué)模型。這些模型能夠在一定程度上幫助研究人員在輻射測(cè)溫和傳熱計(jì)算中選取合適的發(fā)射率參數(shù)。然而，進(jìn)一步的研究表明，兩個(gè)固體表面即使具有相同的表面成分、溫度和氧化程度，其光譜發(fā)射率仍可能并不一致，其中表面粗糙度的影響較大，但目前粗糙度對(duì)固體表面發(fā)射率的影響機(jī)理尚不清楚。

前蘇聯(lián)S. G. Agababov使用幾何光學(xué)的方法對(duì)發(fā)射率和表面形態(tài)之間的函數(shù)進(jìn)行建模，用于確定具有熱和光學(xué)均勻性的灰體漫射粗糙表面的發(fā)射率。然而，該方法計(jì)算過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)—粗糙度系數(shù)R獲取困難，應(yīng)用于隨機(jī)粗糙表面時(shí)較為不便，至今未有便捷的由粗糙度直接預(yù)估表面發(fā)射率的方法。

近日，來(lái)自電子科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出基于構(gòu)造二維隨機(jī)粗糙表面的發(fā)射率計(jì)算方法，用以預(yù)測(cè)未知固體粗糙表面的發(fā)射率。

該團(tuán)隊(duì)使用已知發(fā)射率的參考表面和目標(biāo)表面的均方根高度Rq構(gòu)造出二維隨機(jī)粗糙表面，并基于構(gòu)造的表面獲取兩個(gè)表面的粗糙度系數(shù)R，最終計(jì)算出未知粗糙表面的發(fā)射率(圖2)。

圖2：基于構(gòu)造表面的發(fā)射率計(jì)算方法

以上研究成果以“A straightforward spectral emissivity estimating method based on constructing random rough surfaces”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

理想灰體模型和非灰體模型常用于輻射分析和計(jì)算，但表面粗糙度對(duì)這兩種模型的影響仍然不清楚。學(xué)者們使用該方法計(jì)算了不同粗糙度的灰體和非灰體的表面發(fā)射率，發(fā)現(xiàn)粗糙度可以整體增強(qiáng)灰體和非灰體表面的輻射能力，增強(qiáng)作用隨著粗糙度或初始發(fā)射率的增加而減弱，增大后的發(fā)射率均小于或等于1.0，此結(jié)果與表面發(fā)射率的性質(zhì)吻合。

同時(shí)，學(xué)者們計(jì)算并測(cè)量了不同粗糙度的GH3044、K465、DD6和TC4合金的光譜發(fā)射率，計(jì)算值與測(cè)量值相比最大相對(duì)誤差小于5%。分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)射率隨著粗糙度的增大而增加，但增強(qiáng)效果逐漸減弱。同時(shí)，粗糙度不會(huì)改變整體光譜分布特征，但可能會(huì)削弱光譜發(fā)射率的局部特征。

論文信息

Zhang, Z., Chen, M., Zhang, L. et al. A straightforward spectral emissivity estimating method based on constructing random rough surfaces. Light Sci Appl 12, 266 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01312-1

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