掺杂对氧化铝粒子辐射特性的影响分析.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：073261 掺杂对氧化铝粒子辐射特性的影响分析 李佳玉董士奎 谈和平 (哈尔滨工业大学航空航天热物理研究所，黑龙江 哈尔滨 1 50001) ’rel：0451 E-mail：dongsk@hit．edu．c“ 摘要：本文分析了固体发动机尾喷焰内A120，粒子辐射特性的影响因素，，利用有效介质理论研究了不 同相态的A1203粒子掺杂不同体积的炭黑后等效光学特性常数的变化规律：以米氏理论为基础研究了 不同尺寸的含炭黑A1203粒子吸收因子的变化情况，并考虑炭黑的掺杂方式对A1203粒子辐射的影响。 关键词：氧化铝粒子辐射特性掺杂有效介质理论 米氏理论 1 引言 Al，O，粒子是含有锅燃料的固体燃料发动机尾喷焰的主要辐射源，其辐射的光谱范 最近几年越来越多的研究开始关心火箭尾喷焰氧化铝粒子的辐射特性。为准确预测 机尾喷焰中Al，O，粒子辐射产生影响的各种因素，国外在这方面的研究是通过直接从同 体燃料发动机尾喷焰中收集A1，O，粒子样品，对其进行实验研究【I剧，重点研究Al，O，粒 子光学常数、形态，尺寸分布等特性，指出这些特性都会直接或间接地影响到尾喷焰的 辐射信号。 复折射率是用来表征固体宏观光学性质的一种光!学常数，它是计算粒子吸收散射特 性的重要输入参数，目前复折射率大都根据实验测定，它为波长和温度的函数，尤其是 折射率的虚部(吸收指数)，随温度和波长的变化比较剧烈。除了温度和波长外，分别 有实验和计算pHJ证明Al，O，粒子的复折射率在不同的相态会发生很大改变，由文献引 掺入其它杂质，也会对Al，O，粒子的辐射特性产生较大影响。本文利用有效介质理论研 究了含有不同炭黑掺杂量的Al，O，粒子的等效复折射率随温度的变化，考虑了由于温度 的升高而引起Al，o，粒子相态的变化，重点分析了吸收指数随掺杂量的变化特征，以米 氏理论为基础研究了不同尺寸的含炭黑A1，O，粒子吸收因子的变化情况，并考虑炭黑的 掺杂方式对Al，O，粒子辐射特性的影响。 2掺杂对氧化铝粒子吸收指数的影响 由于．吸收指数受波长、温度等冈素的影响较大，所以大部分有关尾喷焰中Ai203粒 资助 724 子光学常数的研究重点是复折射率的虚部，即吸收指数，而折射指数常常只考虑其随相 内为1．744±o．016，文献I7坤也给出了尾喷焰中y和口相A1203粒子的折射指数分别为 1．65和1．78。 一定量的炭黑杂质后其等效的复折射率将发生变化。本文采用Bruggem肌n有效介质理 论求解含炭黑杂质的Al，O，粒子的等效复折射率。利用二相复合体系的有效介电常量的 ． 关系式例：可以得到含炭黑杂质的Al，O，粒子的等效介电常数(￡=F’+f．占”)： 工嚣+(1卅罴秀一o。 (‘j’ 式中；五是炭黑的体积份额，％和如I，o，分别是炭黑和A1203粒子的介电常数。 复折射率与介电常数之间的关系式： 占’=”2一七2 (2) ’ s=2破 (3) 其中Al，O，粒子和炭黑的复折射率来源于文献f5·71，计算中考虑了由于温度变化而引起 的相态转变，在熔点丁』2310K以上A120，粒子被认为是处于液态，当粒子温度在熔点 以下，认为是处于口相，图1．4详细列出了含炭黑杂质的Al，o，粒子不同波长下，吸收 O．8。 由图1．图4可见，随着Al，O、粒子中含炭黑餐的增加，粒子的吸收指数逐渐增大， 原因很简单，即炭黑的吸收指数在相同的波长与温度下要比A1，O、大的多；由于炭黑杂 质的掺入，Al，o，粒子吸