7075鋁合金板自然環(huán)境太陽輻射熱效應(yīng)及影響因素分析

雷凱，任戰(zhàn)鵬，李玄，馬建軍，吳競

7075鋁合金板自然環(huán)境太陽輻射熱效應(yīng)及影響因素分析

雷凱，任戰(zhàn)鵬，李玄，馬建軍，吳競

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

研究典型金屬材料在自然太陽輻射環(huán)境下的熱效應(yīng)，并分析試驗(yàn)件屬性及環(huán)境參數(shù)等不同因素對材料熱效應(yīng)的影響規(guī)律。通過設(shè)計(jì)自然環(huán)境下太陽輻射熱效應(yīng)試驗(yàn)方案，分析涂層顏色、粗糙度等對7075鋁合金材料太陽輻射熱效應(yīng)的影響，建立一種太陽輻射環(huán)境下穩(wěn)態(tài)溫度的計(jì)算算法。獲取了在9月前后20 d內(nèi)的外場輻照度及10組試驗(yàn)件的溫度測量數(shù)據(jù)，得到了涂層顏色、粗糙度等對材料熱效應(yīng)的影響規(guī)律。此外，建立的簡化算法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，具有精度高、形式簡單等優(yōu)勢，可以應(yīng)用于給定輻照強(qiáng)度下典型材料熱效應(yīng)的預(yù)測。針對特定試驗(yàn)件，輻照度和風(fēng)速是影響其熱效應(yīng)的主要因素。當(dāng)輻照強(qiáng)度在較高的范圍內(nèi)變化時，試驗(yàn)件溫升基本和輻照度成正比。隨著自然環(huán)境風(fēng)速的增加，試驗(yàn)件溫度的下降幅度減小。

太陽輻射；熱效應(yīng)；工程算法；涂層顏色；粗糙度；輻照度；風(fēng)速

太陽輻射試驗(yàn)是驗(yàn)證工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的一項(xiàng)典型試驗(yàn)，用于確定太陽輻射對產(chǎn)品產(chǎn)生的熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)[1-3]。對于軍用裝備，太陽輻射試驗(yàn)是其研制過程中的必要試驗(yàn)，一般在自然環(huán)境和人工模擬的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中開展[4]。由于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)具有條件可控、周期短、可復(fù)現(xiàn)性等一系列優(yōu)點(diǎn)，是我國裝備太陽輻射環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證的主要手段。針對太陽輻射試驗(yàn)熱效應(yīng)分析，GJB 150.7A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第七部分：太陽輻射試驗(yàn)》[5]給出了具體的試驗(yàn)程序。該程序以1 h為間隔，要求了每個時間點(diǎn)的環(huán)境溫度以及輻照度。為了防止“過試驗(yàn)”和“欠試驗(yàn)”，該標(biāo)準(zhǔn)指出應(yīng)對模擬光源的輻照度進(jìn)行調(diào)整，以得到相同的熱效應(yīng)，保證實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和自然環(huán)境具有等效性。因此，在開展某試驗(yàn)件實(shí)驗(yàn)室太陽輻射試驗(yàn)前，首先應(yīng)分析其典型組成材料在外場太陽輻射環(huán)境下的溫度響應(yīng)，作為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境等效性分析的基礎(chǔ)[6]。

針對太陽輻射試驗(yàn)方法，國內(nèi)外學(xué)者主要從試驗(yàn)和仿真2方面對太陽輻射環(huán)境熱效應(yīng)分析開展了相關(guān)研究。在試驗(yàn)方面，Abu Talib等[7]設(shè)計(jì)了4種顏色（紅、黑、白、灰）的圓筒結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，研究了自然太陽輻射環(huán)境對發(fā)動機(jī)短艙結(jié)構(gòu)的熱效應(yīng)。陳志華等[8]采用分光光度計(jì)測定了鋼結(jié)構(gòu)常用涂料的太陽輻射吸收系數(shù)，基于實(shí)測數(shù)據(jù)得到了面漆顏色對結(jié)構(gòu)溫度場和溫度效應(yīng)具有較大影響等結(jié)論。董海榮等[9]通過開展涂料外飾面材料自然環(huán)境太陽輻射試驗(yàn)，分析了不同顏色和粗糙度對其溫度的影響。羊軍等[10]設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室全光譜太陽輻射試驗(yàn)溫度測量方案，獲取了線纜設(shè)備的溫度分布。萬章博等[11]分析了混凝土結(jié)構(gòu)組成的無砟軌道道床板在冬季太陽輻射下的表面溫度分布。孫永康等[12]分析了不同鋪裝材料在太陽輻射下的熱效應(yīng)。陳可等[13]通過對鋼管混凝土拱肋截面日照溫度場進(jìn)行現(xiàn)場測試，得出了鋼管混凝土拱肋截面沿直徑方向出現(xiàn)最大溫差時的溫差分布曲線。在仿真方面，潘丞雄等[14]通過數(shù)值仿真研究了直升機(jī)機(jī)身表面的溫度場，分析了太陽輻射對結(jié)構(gòu)的溫升效應(yīng)。王連江等[15]通過CFD軟件建立了考慮太陽輻射的飛機(jī)座艙溫度場仿真模型。龐麗萍等[16]通過實(shí)測并結(jié)合仿真分析開展了民機(jī)客艙中太陽輻射對熱舒適性的影響研究。姚英姿等[17]建立了戶外電子設(shè)備熱仿真模型，研究了不同防護(hù)方式對熱效應(yīng)的影響。李麗芬[18]通過試驗(yàn)方法對海南濕熱氣候條件下汽車的熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測，并基于ICEM CFD軟件，建立了整車熱負(fù)荷數(shù)值計(jì)算模型，研究表明，太陽輻射下汽車零部件的熱負(fù)荷十分嚴(yán)酷。喬木等[19]利用FLUENT中太陽加載模型，并開發(fā)UDF程序，建立了飛艇傳熱模型，通過數(shù)值模擬熱傳導(dǎo)過程獲得了飛艇溫度分布情況。包勝等[20]采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對小型高軌星載天線進(jìn)行了熱分析，研究了全軌道工況下不同太陽輻射角和不同天線材料表面吸收率和發(fā)射率的比值/對天線溫度的影響。針對混凝土、路面、橋梁、大壩等，文獻(xiàn)[21-25]基于傳熱理論開展了數(shù)值仿真研究。目前，大多文獻(xiàn)都集中在土木建筑領(lǐng)域，對武器裝備的太陽輻射熱效應(yīng)研究較為有限，相關(guān)數(shù)據(jù)難以獲取，不利于裝備太陽輻射試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

本文以典型鋁合金金屬板為研究對象，設(shè)計(jì)了自然環(huán)境下太陽輻射熱效應(yīng)分析試驗(yàn)方案，分析不同涂層顏色對其熱效應(yīng)的影響，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為實(shí)驗(yàn)室太陽輻射試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。此外，本文建立了一種太陽輻射環(huán)境下穩(wěn)態(tài)溫度分析簡化算法，分析了輻照度、風(fēng)速等因素對金屬板溫度響應(yīng)的影響。

1 太陽輻射試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

針對武器裝備結(jié)構(gòu)中常用的7075鋁合金，本文設(shè)計(jì)了自然環(huán)境太陽輻射試驗(yàn)方案，分析了涂層顏色和表面粗糙度對其溫升的影響。其中，試驗(yàn)件由10件300 mm×300 mm×2 mm的金屬板組成，2個為裸材鋁板，表面未涂漆，其余分別在上下表面涂黑漆、白漆、灰漆、紅漆、藍(lán)漆、黃漆、綠漆、紫漆。1個表面未涂漆的試驗(yàn)件表面粗糙度為25 μm，其余9個試驗(yàn)件均為6.3 μm。將10塊金屬板從1—10對其進(jìn)行編號，顏色分別為黃、黑、無色（粗糙度25）、紫、白、紅、綠、灰、無色（粗糙度6.3）、藍(lán)，布置方式如圖1所示。

本次試驗(yàn)地點(diǎn)位于西安閻良區(qū)，試驗(yàn)時間為2021年8月21日—9月10日。試驗(yàn)整體方案如圖2所示，通過支撐臺架放置在空曠的戶外環(huán)境，四周無遮擋。其中，試驗(yàn)支持臺架放置于地面上，在臺架表面放置橡塑海綿，減少地面反射太陽光對試驗(yàn)件溫度的影響。此外，橡塑海綿表面粘貼有鋁箔，起反射太陽光和防護(hù)等作用，避免溫度過高對試樣溫度的測量帶來誤差。將標(biāo)準(zhǔn)試樣放置在橡塑海綿上，四周通過金屬膠帶固定。在下表面中心處粘貼熱電偶，其編號和試驗(yàn)件編號一致。為了研究金屬板上下表面的溫度差異，在9號板上表面中心處布置一個熱電偶（對應(yīng)圖1中序號9-2）。在周邊放置輻照計(jì)，測量環(huán)境輻照度以及環(huán)境溫度。通過采集裝置每30 s測量一次數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)終端實(shí)時顯示自然環(huán)境下的輻照度和環(huán)境溫度，以及試樣溫度。試驗(yàn)現(xiàn)場照片如圖3所示。

圖1 試驗(yàn)件布置方式

圖2 金屬板自然環(huán)境太陽輻射試驗(yàn)方案

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場照片

2 結(jié)果及分析

2.1 輻照度測量結(jié)果

本次試驗(yàn)周期內(nèi)，測得每天的最大輻照度如圖4所示。其中，輻照度較低的幾天為陰天或雨天。5組晴天06:00—19:00時間段內(nèi)的輻照度分布規(guī)律如圖5所示。試驗(yàn)周期內(nèi)，大部分時間輻照度受到云層的影響，出現(xiàn)劇烈波動。8月27日—9月7日的天氣情況較為理想，測得的最大輻照度出現(xiàn)在12點(diǎn)30分附近，基本沿該時刻兩側(cè)對稱分布。

2.2 金屬板溫度分布測量結(jié)果

以8月27日測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到10個試驗(yàn)件的溫度分布，如圖6所示。各試驗(yàn)件在12:00—13:00時間段內(nèi)的平均溫度見表1。由此可得，涂層顏色對試驗(yàn)件熱效應(yīng)的影響由高到低為：黑、紫、灰、綠、藍(lán)、紅、黃、無色、白色。此外，試驗(yàn)件上表面溫度略高于下表面溫度，較糙度的表面會引起試驗(yàn)件表面溫度上升。分析9月7日試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得相似的結(jié)果。

圖4 試驗(yàn)周期內(nèi)每天的最大輻照度

圖5 06:00～19:00時間段內(nèi)5組晴天的輻照度分布情況

圖6 8月27日試驗(yàn)數(shù)據(jù)中試驗(yàn)件溫度分布情況

Fig.6 Temperature distribution of test pieces in experimental data on Aug.27

表1 試驗(yàn)件12:00—13:00時間段內(nèi)溫度分布

Tab.1 Temperature distribution of test pieces from 12:00 to 13:00

3 穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算簡化算法及影響因素分析

3.1 熱傳遞理論分析

太陽輻射作用下，金屬板熱傳遞主要包括熱對流和熱輻射，其中熱對流的主要形式為試驗(yàn)件表面與大氣對流換熱，其熱流密度c的表達(dá)式見式（1），對流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式見式（2）。

式中：e表示環(huán)境溫度，K；s表示試驗(yàn)件表面溫度，K；表示對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；為風(fēng)速，m/s。

熱輻射的主要形式為太陽輻射產(chǎn)生的熱流密度s和輻射換熱產(chǎn)生的熱流密度r，r包括試驗(yàn)件與天空之間的輻射換熱和試驗(yàn)件和地面間的輻射換熱。s的計(jì)算公式為：

太陽輻射作用下金屬板換熱邊界條件為式（5）。

在達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，式（5）的值為0。由式（1）、（3）和（4）可得太陽輻射作用下金屬板穩(wěn)態(tài)熱平衡方程為：

由于地面反射的太陽光被橡塑海綿吸收，因此分析中忽略了試驗(yàn)件和地面間的輻射換熱。同時本試驗(yàn)在空曠的房頂進(jìn)行，可認(rèn)為as值為1。式（6）可進(jìn)一步簡化為式（7）。

該方程是四次非線性方程，求解較為困難。因此，本研究對四次項(xiàng)部分進(jìn)行簡化。

3.2 穩(wěn)態(tài)溫度分析簡化算法

以8月27日測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，對簡化算法進(jìn)行介紹。在12:00—13:00時間段內(nèi)，環(huán)境平均溫度為29.64 。針對函數(shù)式（8），當(dāng)e=302.79 K時，的值和s的關(guān)系如圖7所示。

一般情況下，試驗(yàn)件穩(wěn)定溫度s大于環(huán)境溫度e的值在10～60 K，函數(shù)式值為10.57～9.01。分析中可以選取為某常數(shù)，通過該方法可將四次項(xiàng)部分近似表達(dá)為一次項(xiàng)。由圖7可以看出，當(dāng)試驗(yàn)件熱效應(yīng)較低時，值的變化幅度相對較大。因此，針對該情況，常數(shù)值的設(shè)置采用見式（9）。

其中，當(dāng)試驗(yàn)件（白色金屬板等）熱效應(yīng)較低時，的值為函數(shù)式（8）中在10≤s－e≤20時的平均值9.50；其他情況下，的值為函數(shù)式（8）中在20

表2 試驗(yàn)件溫度理論分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比

Tab.2 Comparison between theoretical analysis results and test results of test piece temperature

3.3 影響因素分析

3.3.1 輻照強(qiáng)度分析

當(dāng)輻照強(qiáng)度在較高的范圍內(nèi)變化時，環(huán)境溫度e的變化幅度不高，由式（8）和式（9）可得，值的變化程度較小。此外，由圖7可知，針對熱效應(yīng)較高的試驗(yàn)件，值的變化程度較小。因此，試驗(yàn)件溫升基本和輻照度成正比。黑色和灰色金屬板8月27日的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，各時間段內(nèi)的平均輻照度和試驗(yàn)件溫升對比情況見表3。可以看出，輻照度的變化幅度基本和溫升變化幅度相同，產(chǎn)生差異的部分原因?yàn)楦麟A段的風(fēng)速不一致。因此，當(dāng)自然環(huán)境下太陽輻射強(qiáng)度從911.69 W/m2增加到GJB 150.7A—2009中的最大值1 120 W/m2時，可以預(yù)測此時的黑色金屬板的溫升將達(dá)到40.97 ℃。

3.3.2 風(fēng)速分析

以8月27日測得黑色金屬板的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)其他條件不變，風(fēng)速從0 m/s按照0.5 m/s的幅度增加至5 m/s時，值從6.19 W/(m2·K)變化到26.21 W /(m2·K)。可得911.69 W/m2輻照度下試驗(yàn)件溫升隨風(fēng)速的變化，如圖8所示。可以看出，隨著風(fēng)速的增加，試驗(yàn)件溫度的下降幅度在減小。

表3 各時間段輻照度和試驗(yàn)件溫升對比

Tab.3 Comparison between irradiance and temperature rise of test pieces in different periods

圖8 風(fēng)速和試驗(yàn)件溫升的關(guān)系

4 結(jié)論

本文以不同形式的7075鋁合金金屬板為試驗(yàn)對象，設(shè)計(jì)了自然環(huán)境太陽輻射熱效應(yīng)分析試驗(yàn)方案，獲取了不同輻照度下各試驗(yàn)件的溫度，分析了涂層顏色、表面粗糙度等因素對試驗(yàn)件溫度的影響。此外，本文建立了一種太陽輻射環(huán)境下穩(wěn)態(tài)溫度分析簡化算法，分析了輻照度、風(fēng)速等因素對金屬板溫度響應(yīng)的影響。得到以下主要結(jié)論：

1）通過本次試驗(yàn)，得到涂層顏色對試驗(yàn)件熱效應(yīng)的影響由高到低為黑、紫、灰、綠、藍(lán)、紅、黃、無色、白色。此外，試驗(yàn)件上表面溫度略高于下表面溫度，較糙度的表面會引起試驗(yàn)件表面溫度上升。

2）本文建立的簡化算法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，具有精度高、形式簡單等優(yōu)勢，可以滿足工程計(jì)算需要。

3）針對特定試驗(yàn)件，輻照度和風(fēng)速是影響其熱效應(yīng)的主要因素。其中，當(dāng)輻照強(qiáng)度在較高的范圍內(nèi)變化時，試驗(yàn)件溫升基本和輻照度成正比，隨著自然環(huán)境風(fēng)速的增加，試驗(yàn)件溫度的下降幅度在減小。

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Thermal Effect and Influencing Factors Analysis of 7075 Aluminum Alloy Plates in Natural Solar Radiation

LEI Kai, REN Zhan-peng, LI Xuan, MA Jian-jun, WU Jing

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi'an 710065, China)

The work aims to study the thermal effect of typical metal materials in the natural solar radiation environment and analyze the influence rules of different factors such as the properties of test pieces and environmental parameters.The influence ofcoating color, roughness, etc. on solar radiation thermal effect of 7075 aluminum alloy materials was analyzed by designing the test plan of solar radiation heat effect in natural environment, a steady temperature calculation algorithm under solar radiation environment was established. The field irradiance and temperature measurement data of 10 groups of test pieces within 20 days before and after September were obtained. Based on the data, the influence rules of coating color, roughness, etc. on thermal effect of materials were revealed. In addition, the error of the simplified algorithm and test data established in this paper was less than 5%, which had the advantages of high accuracy and simple form, could be used to predict the thermal effect of typical materials under a given irradiation intensity.For a specific test piece, irradiance and wind speed are the main factors affecting its thermal effect. When the radiation intensity changes in a high range, the temperature rise of the test piece is basically proportional to the irradiance. With the increase of wind speed in the natural environment, the temperature drop of the test piece decreases.

solar radiation; thermal effect; engineering algorithms; coating colors;roughness; irradiance; wind speed

2022-10-13；

2022-11-07

LEI Kai (1982-), Male, Master.

雷凱, 任戰(zhàn)鵬, 李玄, 等.7075鋁合金板自然環(huán)境太陽輻射熱效應(yīng)及影響因素分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(6): 155-161.

TJ8

A

1672-9242(2023)06-0155-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.020

2022–10–13；

2022–11–07

雷凱（1993—），男，碩士。

LEI kai, REN Zhan-peng, LI Xuan, et al.Thermal Effect and Influencing Factors Analysis of 7075 Aluminum Alloy Plates in Natural Solar Radiation[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 155-161.

責(zé)任編輯：劉世忠