CN115825145A - 高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置及反演方法 - Google Patents

Abstract

一种高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置及反演方法，属于高温材料热物性参数测量技术领域。本发明针对现有对高温液态熔盐的热辐射热物性及导热热物性参数需分开测量，导致结果误差叠加的问题。装置中：多个液态熔盐封装单元沿圆周方向均匀设置在旋转支架上；旋转支架通过旋转使多个液态熔盐封装单元依次处于激光加热器正上方，激光加热器通过电光调制器调制后产生多个由不同波形、强度与频率组合的脉冲激光热流对液态熔盐封装单元进行加热；非接触式温度探测器用于采集液态熔盐封装单元的背景辐射信号和每一次脉冲激光热流加热下的红外辐射信号。本发明用于高温液态熔盐的热物性参数测量。

Description

高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置及反演方法

技术领域

本发明涉及高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置及反演方法，属于高温材料热物性参数测量技术领域。

背景技术

高效储热技术是一种战略性能源技术。高温熔盐由于具有优异的热物理化学性质、工作温度范围宽、传热性能好、蓄热能力强等一系列优点成为当前最具潜力的传热蓄热介质，已经被广泛运用于第四代核反应堆及太阳能高温储能装置中。第四代核反应堆发展计划中也将高温熔盐堆作为重点发展堆型。

高温液态熔盐热辐射及导热热物性制约着系统的传热储热性能，直接关系到热工系统的性能优化和安全设计。热辐射及导热热物性不仅是热能储存转化关键参数，更是新型储热材料开发核心指标，但目前相关数据稀缺，还没有公开报道的高温熔盐相关标准的热物性数据库。

现阶段高温液态熔盐的热物性参数测量方案中，无法做到热辐射热物性及导热热物性联合测量，而分开测量导致误差叠加。一方面由于高温熔盐是半透明液体，高温时辐射效应增强，由半透明特性导致存在辐射导热耦合效应，无法拆分；另一方面由于其液态特性又存在对流、蒸发、辐射特性测量时红外窗片受限等约束。因此，目前的分开测量方式导致高温液态熔盐热辐射及导热热物性测量结果准确性差，难以满足使用需求。

发明内容

针对现有对高温液态熔盐的热辐射热物性及导热热物性参数需分开测量，导致结果误差叠加的问题，本发明提供一种高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置及反演方法。

本发明的一种高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，包括多个液态熔盐封装单元、旋转支架、电光调制器、激光加热器和非接触式温度探测器，

液态熔盐封装单元包括底面具有气孔的容器底座，每个容器底座内表面具有耐腐蚀涂层，不同容器底座的耐腐蚀涂层具有不同的表面反射率；

多个液态熔盐封装单元沿圆周方向均匀设置在旋转支架上；旋转支架通过旋转使多个液态熔盐封装单元依次处于激光加热器正上方，激光加热器通过电光调制器调制后产生多个由不同波形、强度与频率组合的脉冲激光热流对液态熔盐封装单元进行加热；

非接触式温度探测器用于采集液态熔盐封装单元的背景辐射信号和每一次脉冲激光热流加热下的红外辐射信号。

根据本发明的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，每个液态熔盐封装单元还包括坩埚上端盖、滚珠丝杠和温控箱，

容器底座为圆柱形腔体，并且上端口具有向内延伸的上边沿；坩埚上端盖为具有筒底的圆筒状上端盖；坩埚上端盖经由上边沿嵌入到容器底座的腔体内，坩埚上端盖的圆筒侧壁与容器底座的上边沿配合形成容器底座与坩埚上端盖之间的液态熔盐封装区；

坩埚上端盖具有水平方向延伸的连接臂，连接臂与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠设置在旋转支架上；滚珠丝杠经丝杠驱动电机驱动后，带动坩埚上端盖在容器底座内上下移动；

容器底座放置于温控箱内，温控箱具有环形加热器。

根据本发明的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，容器底座的外底面设置石墨涂层。

根据本发明的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，还包括变焦距透镜，变焦距透镜设置于非接触式温度探测器与液态熔盐封装单元之间，用于调整非接触式温度探测器的视场范围。

根据本发明的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，坩埚上端盖的筒底位于变焦距透镜焦点处。

根据本发明的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，还包括傅里叶变换红外光谱仪和计算机，

傅里叶变换红外光谱仪用于对非接触式温度探测器采集的信号进行傅里叶变换，变换结果经计算机计算获得高温液态熔盐的热辐射参数和导热系数。

根据本发明的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，旋转支架的转轴通过支架驱动电机驱动旋转，带动液态熔盐封装单元进行位置变换。

本发明还提供了一种高温液态熔盐热辐射及导热参数联合反演方法，基于所述高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置实现，包括：

首先：对每个液态熔盐封装单元分别进行步骤一至步骤四的测量：

步骤一：在液态熔盐封装单元的液态熔盐封装区内部放置高温液态熔盐样品，通过滚珠丝杠的调整使高温液态熔盐样品厚度为当前预设厚度；

步骤二：采用环形加热器将高温液态熔盐样品加热至目标温度；

步骤三：采用非接触式温度探测器探测液态熔盐封装单元的背景辐射信号；

步骤四：采用电光调制器对激光加热器进行调制，使激光加热器输出当前预设波形、强度与频率组合下的脉冲激光热流，并采用非接触式温度探测器采集对应的红外辐射信号；步骤四重复预设次数，每一次的脉冲激光热流均不相同；然后返回步骤一，直到完成预设厚度变换次数的测量；

然后执行步骤五：

步骤五：采用傅里叶变换红外光谱仪对非接触式温度探测器采集的所有辐射信号进行傅里叶变换；

将脉冲激光热流记为q、高温液态熔盐样品厚度记为l、耐腐蚀涂层的表面反射率记为R；

采用计算机根据每一次测量时的脉冲激光热流q、高温液态熔盐样品厚度l和耐腐蚀涂层的表面反射率R与熔盐上表面时变温度T的对应关系建立瞬态热响应映射关系立方体；熔盐上表面时变温度T由步骤四中采集的红外辐射信号与步骤三采集的背景辐射信号的差值进行傅里叶变换获得；

在瞬态热响应映射关系立方体中选择热辐射敏感的热辐射单传热模式尖峰区间对应的选定个数熔盐上表面时变温度T，作为计算热辐射参数的折射率n及消光系数κ_a的第一组反演样本数据，同时计算导热系数λ；再由瞬态热响应映射关系立方体中选择对厚度敏感的热辐射加导热双传热模式平缓上升区间对应的选定个数熔盐上表面时变温度T，作为计算导热系数λ的第二组反演样本数据，同时计算折射率n及消光系数κ_a；

由两组反演样本数据计算的结果互相修正，最终确定高温液态熔盐样品的折射率n、消光系数κ_a和导热系数λ。

根据本发明的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合反演方法，所述热辐射单传热模式尖峰区间为从当前脉冲激光热流激励作用开始至熔盐上表面时变温度T上升到尖峰值后下降直到再次开始上升的临界点形成的时间区间；

热辐射加导热双传热模式平缓上升区间为熔盐上表面时变温度T从所述临界点到上升到第二次温度最高点时形成的时间区间。

根据本发明的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合反演方法，步骤五中采用选定的反演样本数据进行反演计算，获得高温液态熔盐样品的折射率n、消光系数κ_a和导热系数λ方法为：

建立一维非稳态耦合传热正问题模型如下：

式中ρ为熔盐密度，C_p为熔盐定压比热容，x为光学坐标，t为测量时间，

为辐射源项，Q为容器底座底部熔盐吸收的能量，d为容器底座直径，P(t)为随时间变化的脉冲激光热流函数，ε为容器底座激光入射面的材料表面发射率，T₀为目标温度，σ为斯特芬-玻尔兹曼常数；

根据辐射源项

的表达式：

式中I为辐射强度，μ为辐射传输方向角θ对应的余弦；

由辐射传输方程描述熔盐容积热辐射传输为：

其中μ＝cosθ；

边界辐射强度

为：

式中ε_w为容器底座内壁面发射率，n_w为容器底座内壁面外法向矢量，s^m′为容器底座内壁面在方向m′上的单位方向向量，s^m为容器底座内壁面除方向m′以外其他方向上的单位方向向量，辐射传输方向角θ为n_w与s^m′的夹角，w^m′为容器底座内壁面在方向m′上的边界辐射强度权重；

对上述表达式联立求解获得高温液态熔盐样品的折射率n、消光系数κ_a和导热系数λ。

本发明的有益效果：本发明基于热源、厚度、基底表面热物性参数与瞬态热响应映射关系立方体，再结合高温液态半透明熔盐中容积辐射作用，可实现辐射热物性参数及导热热物性参数的联合同时测量及反演，

本发明装置中高温熔盐封装模块的熔盐厚度可调节，结合熔盐封装模块底部反射率的变化与激励热源的精准调控，可实现不同情况下高温液态熔盐辐射信号的检测。在此基础上，根据熔盐液层内热辐射快热路径和导热慢热路径造成的温度响应时间差异，先出现热辐射敏感的单传热模式尖峰区，随后是对厚度敏感的双传热模式平缓上升区。依据敏感性不同，构建不同基底表面辐射特性下的调制热源和特征尺寸构造功率谱、厚度谱到温度响应图谱的映射关系立方体。由关系立方体进行热源、厚度、基底表面辐射性质这三自由度参数与温升响应信号之间的敏感度分析，结合参数反演算法实现辐射物性参数和导热系数的联合同时测量。

本发明可实现高温熔盐热物性参数的准确测量，测量结果精度高，可为实现热能储存与转化提供准确的依据。

本发明方法在参数反演的过程中消除了背景辐射的干扰，因此无需真空腔体装置即可达到很好的熔盐上表面温升测量效果，测量成本低。本发明方法突破了现有热扩散型测量方法无法实现半透明熔盐本征导热系数准确测量的技术瓶颈，对高效传/蓄热、先进熔盐堆等技术发展具有重要意义和支撑价值。

附图说明

图1是本发明所述高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置的结构示意图；

图2是液态熔盐封装单元的主体仿真示意图；图中A高温液态熔盐样品；

图3是建立瞬态热响应映射关系立方体的过程示意图；图中q₁、l₁、R₁是测量过程中对应q、l、R设置的第一组条件数据，q₂、l₂、R₂是测量过程中对应q、l、R设置的第二组条件数据，q₃、l₃、R₃是测量过程中对应q、l、R设置的第三组条件数据；

图4是确定热辐射敏感区和样品厚度敏感区的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，包括多个液态熔盐封装单元100、旋转支架200、电光调制器300、激光加热器400和非接触式温度探测器500，

液态熔盐封装单元100包括底面具有气孔的容器底座110，每个容器底座110内表面具有耐腐蚀涂层120，不同容器底座110的耐腐蚀涂层120具有不同的表面反射率；

多个液态熔盐封装单元100沿圆周方向均匀设置在旋转支架200上；旋转支架200通过旋转使多个液态熔盐封装单元100依次处于激光加热器400正上方，激光加热器400通过电光调制器300调制后产生多个由不同波形、不同强度与不同频率组合的短时脉冲激光热流对液态熔盐封装单元100进行加热；将激光加热器与电光调制器相连接，实现了激励热源的波形、频率及能量的高精度可调。激光加热器400为封装容器底部提供了脉冲边界热源；

非接触式温度探测器500设置于液态熔盐封装单元100的正上方，用于采集液态熔盐封装单元100的背景辐射信号和每一次脉冲激光热流加热下的红外辐射信号，可将采集信号转换为瞬态温度信号输出。非接触式温度探测器500对应采集不同波形的短时脉冲激光热流下的液态熔盐封装容器的红外辐射信号。

进一步，结合图1和图2所示，每个液态熔盐封装单元100还包括坩埚上端盖130、滚珠丝杠140和温控箱150，

容器底座110为圆柱形腔体，并且上端口具有向内延伸的上边沿；坩埚上端盖130为具有筒底的圆筒状上端盖；坩埚上端盖130经由上边沿嵌入到容器底座110的腔体内，坩埚上端盖130的圆筒侧壁与容器底座110的上边沿配合形成容器底座110与坩埚上端盖130之间的液态熔盐封装区；

坩埚上端盖130具有水平方向延伸的连接臂131，连接臂131与滚珠丝杠140连接，滚珠丝杠140设置在旋转支架200上；滚珠丝杠140经丝杠驱动电机驱动后，带动坩埚上端盖130在容器底座110内上下移动；

容器底座110放置于温控箱150内，温控箱150具有环形加热器151，环形加热器151为电加热器，布置在温控箱150内部，环形加热器151和温控箱150可与计算机连接，通过计算机进行温控箱内温度测量及控制。

本实施方式中，坩埚上端盖130的长度需大于容器底座110的长度，可实现对熔盐厚度最大范围的调节。

本实施方式中，容器底座110内装入液态熔盐后，通过调节坩埚上端盖130的高度调整熔盐样品在封装容器底部的厚度。

温控箱150包括铝制外壳、保温层、测温热电偶和环形加热器151；测温热电偶和环形加热器151相配合，对温控箱150内的液态熔盐封装容器进行温度控制。铝制外壳导热系数低，比热高，可减少热量向外部环境的传递，起到保温隔热的作用。温控箱的原理为PID反馈调节控制，它通过控制电加热功率来控制液态熔盐封装容器的环境温度。

容器底座110的外底面设置石墨涂层111，可保证波形可调节的激光加热器出射的激光热量被全部吸收。

再进一步，结合图1所示，本实施方式还包括变焦距透镜600，变焦距透镜600设置于非接触式温度探测器500与液态熔盐封装单元100之间，用于调整非接触式温度探测器500的视场范围。通过人机交互实现视场调节，以实现周围杂散光抑制及瞬态热响应信号高精度测量。

坩埚上端盖130的筒底位于变焦距透镜600焦点处，使坩埚上端盖130上表面发射的红外信号可通过变焦距透镜汇聚进入到非接触式温度探测器；同时改变变焦距透镜的位置可排除坩埚容器的凸起断面以及两侧的杂光干扰。

再进一步，结合图1所示，本实施方式还包括傅里叶变换红外光谱仪700和计算机800，

傅里叶变换红外光谱仪700用于对非接触式温度探测器500采集的信号进行傅里叶变换，变换结果经计算机800计算获得高温液态熔盐的热辐射参数和导热系数。

所述傅里叶变换红外光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和处理器组成，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换而开发的红外光谱仪。它的工作原理为：光源发出的光经迈克尔逊干涉仪后变成干涉光，用得到的干涉光照射试样，经过反射或透射的干涉光由探测器接受得到形成光信号，再将各种频率光信号由处理器进行傅里叶变换，从而得到较宽波长范围内的光谱信息。它用于获得熔盐材料的红外辐射信号及环境背景辐射信号值。

计算机还可用于设置傅里叶变换红外光谱仪的实验采集参数，以及记录和处理数据。

再进一步，结合图1所示，旋转支架200的转轴通过支架驱动电机驱动旋转，带动液态熔盐封装单元100进行位置变换，来改变被测液态熔盐封装单元100。

丝杠驱动电机和支架驱动电机均可采用5相步进电机，并由电机控制系统控制运行。

具体实施方式二、结合图1至图4所示，本发明还提供了一种高温液态熔盐热辐射及导热参数联合反演方法，基于具体实施方式一所述高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置实现，包括：

首先：对每个液态熔盐封装单元100分别进行步骤一至步骤四的测量：

步骤一：在液态熔盐封装单元100的液态熔盐封装区内部放置高温液态熔盐样品，通过滚珠丝杠140的调整使高温液态熔盐样品厚度为当前预设厚度；

步骤二：采用环形加热器151将高温液态熔盐样品加热至目标温度；

步骤三：采用非接触式温度探测器500探测液态熔盐封装单元100的背景辐射信号；

步骤四：采用电光调制器300对激光加热器400进行调制，使激光加热器400输出当前预设波形、强度与频率组合下的脉冲激光热流，并采用非接触式温度探测器500采集对应的红外辐射信号；步骤四重复预设次数，每一次的脉冲激光热流均不相同；然后返回步骤一，直到完成预设厚度变换次数的测量；

然后执行步骤五：将所得所有结果构建成基于热源、厚度、基底表面热物性参数与瞬态热响应映射关系立方体：

步骤五：采用傅里叶变换红外光谱仪700对非接触式温度探测器500采集的所有辐射信号进行傅里叶变换；

将脉冲激光热流记为q、高温液态熔盐样品厚度记为l、耐腐蚀涂层120的表面反射率记为R；

采用计算机800根据每一次测量时的脉冲激光热流q、高温液态熔盐样品厚度l和耐腐蚀涂层120的表面反射率R与熔盐上表面时变温度T的对应关系建立瞬态热响应映射关系立方体；熔盐上表面时变温度T由步骤四中采集的红外辐射信号与步骤三采集的背景辐射信号的差值进行傅里叶变换获得；

在瞬态热响应映射关系立方体中选择热辐射敏感的热辐射单传热模式尖峰区间对应的选定个数熔盐上表面时变温度T，作为计算热辐射参数的折射率n及消光系数κ_a的第一组反演样本数据，同时计算导热系数λ；再由瞬态热响应映射关系立方体中选择对厚度敏感的热辐射加导热双传热模式平缓上升区间对应的选定个数熔盐上表面时变温度T，作为计算导热系数λ的第二组反演样本数据，同时计算折射率n及消光系数κ_a；

由两组反演样本数据计算的结果互相修正，最终确定高温液态熔盐样品的两个热辐射参数和一个导热参数；两个热辐射参数为折射率n和消光系数κ_a，导热参数为导热系数λ。

本实施方式中，通过涂覆有不同反射率耐腐蚀涂层的坩埚容器的变换、熔盐厚度的调整以及不同波形及功率下的脉冲激光热流的变换，形成多组q、l、R与T的映射关系，进而建立映射关系立方体。

本实施方式中，在激光加热器发射激光之前，先由非接触式温度探测器采集背景环境辐射信号；在激光加热器发射激光之后，再由非接触式温度探测器采集对应的红外辐射信号，将红外辐射信号和背景环境辐射信号相减得到的差值即为液态熔盐的辐射信号或者液态熔盐封装容器上表面的真实辐射信号。

进一步，结合图4所示，所述热辐射单传热模式尖峰区间为从当前脉冲激光热流激励作用开始至熔盐上表面时变温度T上升到尖峰值后下降直到再次开始上升的临界点形成的时间区间；

热辐射加导热双传热模式平缓上升区间为熔盐上表面时变温度T从所述临界点到上升到第二次温度最高点时形成的时间区间。

由于熔盐液层内热辐射快热路径和导热慢热路径造成的温度响应时间差异，将会先出现热辐射敏感的热辐射单传热模式尖峰区，随后是对厚度敏感的热辐射加导热双传热模式平缓上升区。单传热模式尖峰区即从激励作用开始，由于热辐射的迅速传导导致的温升急速上升后下降到再次温升的时间区间，这个区间所占时间较小，一般为几个毫秒，其中热辐射是导致温升的最主要的因素。之后温升再次上升的区间为双传热模式平缓上升区，这个区间中辐射和导热共同作用，但是由于温差较小，此时主要是导热占主要作用。依据敏感性不同，从构建的瞬态热响应映射关系立方体中测试挑选在单模式区敏感的瞬态温升数据，作为辐射物性n、κ_a的反演样本数据；从瞬态热响应映射关系立法体中测试挑选在双传热模式中敏感的瞬态温升数据，作为导热物性λ的反演样本数据，结合遗传算法及粒子群等智能算法，即可通过单一的瞬态温度响应数据同时获得辐射物性n、κ_a及导热系数λ。

再进一步，步骤五中采用选定的反演样本数据进行反演计算，获得高温液态熔盐样品的折射率n、消光系数κ_a和导热系数λ方法为：

建立一维非稳态耦合传热正问题模型如下：

式中ρ为熔盐密度，C_p为熔盐定压比热容，x为光学坐标，t为测量时间，

为辐射源项，Q为容器底座底部熔盐吸收的能量，d为容器底座直径，P(t)为随时间变化的脉冲激光热流函数，ε为容器底座激光入射面的材料表面发射率，T₀为目标温度，σ为斯特芬-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)常数，5.67032×10^-8W/(m²·K⁴)；

上式可作为导热系数反演的正问题，利用从瞬态热响应立方体中提取的双模式区的敏感温升数据，结合遗传算法、粒子群算法等智能算法，可获得导热系数λ，W/(m·K)。

根据辐射源项

的表达式：

式中I为辐射强度，μ为辐射传输方向角θ对应的余弦；

由辐射传输方程描述熔盐容积热辐射传输为：

其中μ＝cosθ；

纯净熔盐熔融后基本不存在悬浮粒子，配合采用超声气泡消除技术，内部光散射可以忽略，考虑辐射吸收即可；

对于辐射传递过程，由于坩埚不透明，上下界面皆为不透明漫反射壁面，边界辐射强度由本身发射和漫反射两部分构成：

边界辐射强度

为：

式中ε_w为容器底座内壁面发射率，n_w为容器底座内壁面外法向矢量，s^m′为容器底座内壁面在方向m′上的单位方向向量，s^m为容器底座内壁面除方向m′以外其他方向上的单位方向向量，辐射传输方向角θ为n_w与s^m′的夹角，w^m′为容器底座内壁面在方向m′上的边界辐射强度权重；

对上述表达式联立从瞬态热响应立方体中获得的单模式区的敏感瞬态温度变化，结合遗传算法、粒子群算法等智能算法，进而反演获得液态熔盐折射率n和液态熔盐的消光系数κ_a。

在实际使用中，为充分考虑高温半透明熔盐内导热过程与容积热辐射效应的非线性耦合关系，在获得精确的正问题计算的情况下，可利用波形可调节的激光加热器产生的调制激励热源作用于涂覆有不同反射率耐腐蚀涂层的容器内的不同厚度的熔盐液层，获取基于热源、厚度、基底表面热物性参数与瞬态热响应映射关系立方体，结合相关参数敏感度分析，筛选线性无关的有效测量信息，构建从测量域到参数域的精准映射关系，解决导热与辐射多参数联合反演中多值性及不确定性难题。

随后，建立高温半透明流体导热系数与热辐射物性联合反演模型与算法。依据从映射关系立方体中筛选的单模式区温升响应时频图谱与双模式区温升响应时频图谱，将其与正演模型预测得到的温升响应的差异构建目标泛函，确定待测参数域约束边界，采用反问题模型迭代联合同时求解得到高温液态熔盐的导热系数与热辐射物性。

本发明基于热源、厚度、基底表面热物性参数与瞬态热响应映射关系立方体的导热系数与热辐射物性参数联合同时测量的总体思路，通过研究调制激励热源作用下涂覆有不同反射率耐腐蚀涂层的容器内的不同厚度的高温半透明熔盐液层内部辐射导热非线性耦合热响应机制，发展基于热源、厚度、基底表面热物性参数与瞬态热响应映射关系立方体的导热系数与热辐射热物性参数联合反演方法，可实现液态熔盐高温导热系数与辐射物性的联合准确测量。

本发明的工作原理：将薄熔盐层封装在液态熔盐封装容器中，容器底座的石墨涂层能够充分吸收激光加热器的热流并使其均匀传递到封装容器底部。选择涂覆有不同反射率耐腐蚀涂层的容器，改变熔盐液层厚度，即可获取不同熔盐厚度下坩埚上端盖的热源、厚度、基底表面热物性参数与瞬态热响应映射关系立方体。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，其特征在于包括多个液态熔盐封装单元(100)、旋转支架(200)、电光调制器(300)、激光加热器(400)和非接触式温度探测器(500)，

液态熔盐封装单元(100)包括底面具有气孔的容器底座(110)，每个容器底座(110)内表面具有耐腐蚀涂层(120)，不同容器底座(110)的耐腐蚀涂层(120)具有不同的表面反射率；

多个液态熔盐封装单元(100)沿圆周方向均匀设置在旋转支架(200)上；旋转支架(200)通过旋转使多个液态熔盐封装单元(100)依次处于激光加热器(400)正上方，激光加热器(400)通过电光调制器(300)调制后产生多个由不同波形、强度与频率组合的脉冲激光热流对液态熔盐封装单元(100)进行加热；

非接触式温度探测器(500)用于采集液态熔盐封装单元(100)的背景辐射信号和每一次脉冲激光热流加热下的红外辐射信号。

2.根据权利要求1所述的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，其特征在于，每个液态熔盐封装单元(100)还包括坩埚上端盖(130)、滚珠丝杠(140)和温控箱(150)，

容器底座(110)为圆柱形腔体，并且上端口具有向内延伸的上边沿；坩埚上端盖(130)为具有筒底的圆筒状上端盖；坩埚上端盖(130)经由上边沿嵌入到容器底座(110)的腔体内，坩埚上端盖(130)的圆筒侧壁与容器底座(110)的上边沿配合形成容器底座(110)与坩埚上端盖(130)之间的液态熔盐封装区；

坩埚上端盖(130)具有水平方向延伸的连接臂(131)，连接臂(131)与滚珠丝杠(140)连接，滚珠丝杠(140)设置在旋转支架(200)上；滚珠丝杠(140)经丝杠驱动电机驱动后，带动坩埚上端盖(130)在容器底座(110)内上下移动；

容器底座(110)放置于温控箱(150)内，温控箱(150)具有环形加热器(151)。

3.根据权利要求2所述的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，其特征在于，容器底座(110)的外底面设置石墨涂层(111)。

4.根据权利要求3所述的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，其特征在于，还包括变焦距透镜(600)，变焦距透镜(600)设置于非接触式温度探测器(500)与液态熔盐封装单元(100)之间，用于调整非接触式温度探测器(500)的视场范围。

5.根据权利要求4所述的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，其特征在于，坩埚上端盖(130)的筒底位于变焦距透镜(600)焦点处。

6.根据权利要求5所述的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，其特征在于，还包括傅里叶变换红外光谱仪(700)和计算机(800)，

傅里叶变换红外光谱仪(700)用于对非接触式温度探测器(500)采集的信号进行傅里叶变换，变换结果经计算机(800)计算获得高温液态熔盐的热辐射参数和导热系数。

7.根据权利要求6所述的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置，其特征在于，旋转支架(200)的转轴通过支架驱动电机驱动旋转，带动液态熔盐封装单元(100)进行位置变换。

8.一种高温液态熔盐热辐射及导热参数联合反演方法，基于权利要求7所述高温液态熔盐热辐射及导热参数联合测量装置实现，其特征在于包括：

首先：对每个液态熔盐封装单元(100)分别进行步骤一至步骤四的测量：

步骤一：在液态熔盐封装单元(100)的液态熔盐封装区内部放置高温液态熔盐样品，通过滚珠丝杠(140)的调整使高温液态熔盐样品厚度为当前预设厚度；

步骤二：采用环形加热器(151)将高温液态熔盐样品加热至目标温度；

步骤三：采用非接触式温度探测器(500)探测液态熔盐封装单元(100)的背景辐射信号；

步骤四：采用电光调制器(300)对激光加热器(400)进行调制，使激光加热器(400)输出当前预设波形、强度与频率组合下的脉冲激光热流，并采用非接触式温度探测器(500)采集对应的红外辐射信号；步骤四重复预设次数，每一次的脉冲激光热流均不相同；然后返回步骤一，直到完成预设厚度变换次数的测量；

然后执行步骤五：

步骤五：采用傅里叶变换红外光谱仪(700)对非接触式温度探测器(500)采集的所有辐射信号进行傅里叶变换；

将脉冲激光热流记为q、高温液态熔盐样品厚度记为l、耐腐蚀涂层(120)的表面反射率记为R；

采用计算机(800)根据每一次测量时的脉冲激光热流q、高温液态熔盐样品厚度l和耐腐蚀涂层(120)的表面反射率R与熔盐上表面时变温度T的对应关系建立瞬态热响应映射关系立方体；熔盐上表面时变温度T由步骤四中采集的红外辐射信号与步骤三采集的背景辐射信号的差值进行傅里叶变换获得；

在瞬态热响应映射关系立方体中选择热辐射敏感的热辐射单传热模式尖峰区间对应的选定个数熔盐上表面时变温度T，作为计算热辐射参数的折射率n及消光系数κ_a的第一组反演样本数据，同时计算导热系数λ；再由瞬态热响应映射关系立方体中选择对厚度敏感的热辐射加导热双传热模式平缓上升区间对应的选定个数熔盐上表面时变温度T，作为计算导热系数λ的第二组反演样本数据，同时计算折射率n及消光系数κ_a；

由两组反演样本数据计算的结果互相修正，最终确定高温液态熔盐样品的折射率n、消光系数κ_a和导热系数λ。

9.根据权利要求8所述的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合反演方法，其特征在于，

所述热辐射单传热模式尖峰区间为从当前脉冲激光热流激励作用开始至熔盐上表面时变温度T上升到尖峰值后下降直到再次开始上升的临界点形成的时间区间；

热辐射加导热双传热模式平缓上升区间为熔盐上表面时变温度T从所述临界点到上升到第二次温度最高点时形成的时间区间。

10.根据权利要求9所述的高温液态熔盐热辐射及导热参数联合反演方法，其特征在于，步骤五中采用选定的反演样本数据进行反演计算，获得高温液态熔盐样品的折射率n、消光系数κ_a和导热系数λ方法为：

建立一维非稳态耦合传热正问题模型如下：

式中ρ为熔盐密度，C_p为熔盐定压比热容，x为光学坐标，t为测量时间，

为辐射源项，Q为容器底座底部熔盐吸收的能量，d为容器底座直径，P(t)为随时间变化的脉冲激光热流函数，ε为容器底座激光入射面的材料表面发射率，T₀为目标温度，σ为斯特芬-玻尔兹曼常数；

根据辐射源项

的表达式：

式中I为辐射强度，μ为辐射传输方向角θ对应的余弦；

由辐射传输方程描述熔盐容积热辐射传输为：

其中μ＝cosθ；

边界辐射强度

为：

式中ε_w为容器底座内壁面发射率，n_w为容器底座内壁面外法向矢量，s^m′为容器底座内壁面在方向m′上的单位方向向量，s^m为容器底座内壁面除方向m′以外其他方向上的单位方向向量，辐射传输方向角θ为n_w与s^m′的夹角，w^m′为容器底座内壁面在方向m′上的边界辐射强度权重；

对上述表达式联立求解获得高温液态熔盐样品的折射率n、消光系数κ_a和导热系数λ。

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