7075鋁合金板自然環境太陽輻射熱效應及影響因素分析

雷凱，任戰鵬，李玄，馬建軍，吳競

7075鋁合金板自然環境太陽輻射熱效應及影響因素分析

雷凱，任戰鵬，李玄，馬建軍，吳競

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

研究典型金屬材料在自然太陽輻射環境下的熱效應，并分析試驗件屬性及環境參數等不同因素對材料熱效應的影響規律。通過設計自然環境下太陽輻射熱效應試驗方案，分析涂層顏色、粗糙度等對7075鋁合金材料太陽輻射熱效應的影響，建立一種太陽輻射環境下穩態溫度的計算算法。獲取了在9月前后20 d內的外場輻照度及10組試驗件的溫度測量數據，得到了涂層顏色、粗糙度等對材料熱效應的影響規律。此外，建立的簡化算法和試驗數據誤差在5%以內，具有精度高、形式簡單等優勢，可以應用于給定輻照強度下典型材料熱效應的預測。針對特定試驗件，輻照度和風速是影響其熱效應的主要因素。當輻照強度在較高的范圍內變化時，試驗件溫升基本和輻照度成正比。隨著自然環境風速的增加，試驗件溫度的下降幅度減小。

太陽輻射；熱效應；工程算法；涂層顏色；粗糙度；輻照度；風速

太陽輻射試驗是驗證工業產品環境適應性的一項典型試驗，用于確定太陽輻射對產品產生的熱效應和光化學效應[1-3]。對于軍用裝備，太陽輻射試驗是其研制過程中的必要試驗，一般在自然環境和人工模擬的實驗室環境中開展[4]。由于實驗室試驗具有條件可控、周期短、可復現性等一系列優點，是我國裝備太陽輻射環境適應性驗證的主要手段。針對太陽輻射試驗熱效應分析，GJB 150.7A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第七部分：太陽輻射試驗》[5]給出了具體的試驗程序。該程序以1 h為間隔，要求了每個時間點的環境溫度以及輻照度。為了防止“過試驗”和“欠試驗”，該標準指出應對模擬光源的輻照度進行調整，以得到相同的熱效應，保證實驗室環境和自然環境具有等效性。因此，在開展某試驗件實驗室太陽輻射試驗前，首先應分析其典型組成材料在外場太陽輻射環境下的溫度響應，作為實驗室環境等效性分析的基礎[6]。

針對太陽輻射試驗方法，國內外學者主要從試驗和仿真2方面對太陽輻射環境熱效應分析開展了相關研究。在試驗方面，Abu Talib等[7]設計了4種顏色（紅、黑、白、灰）的圓筒結構試驗件，研究了自然太陽輻射環境對發動機短艙結構的熱效應。陳志華等[8]采用分光光度計測定了鋼結構常用涂料的太陽輻射吸收系數，基于實測數據得到了面漆顏色對結構溫度場和溫度效應具有較大影響等結論。董海榮等[9]通過開展涂料外飾面材料自然環境太陽輻射試驗，分析了不同顏色和粗糙度對其溫度的影響。羊軍等[10]設計了實驗室全光譜太陽輻射試驗溫度測量方案，獲取了線纜設備的溫度分布。萬章博等[11]分析了混凝土結構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。陳可等[13]通過對鋼管混凝土拱肋截面日照溫度場進行現場測試，得出了鋼管混凝土拱肋截面沿直徑方向出現最大溫差時的溫差分布曲線。在仿真方面，潘丞雄等[14]通過數值仿真研究了直升機機身表面的溫度場，分析了太陽輻射對結構的溫升效應。王連江等[15]通過CFD軟件建立了考慮太陽輻射的飛機座艙溫度場仿真模型。龐麗萍等[16]通過實測并結合仿真分析開展了民機客艙中太陽輻射對熱舒適性的影響研究。姚英姿等[17]建立了戶外電子設備熱仿真模型，研究了不同防護方式對熱效應的影響。李麗芬[18]通過試驗方法對海南濕熱氣候條件下汽車的熱環境參數進行了實測，并基于ICEM CFD軟件，建立了整車熱負荷數值計算模型，研究表明，太陽輻射下汽車零部件的熱負荷十分嚴酷。喬木等[19]利用FLUENT中太陽加載模型，并開發UDF程序，建立了飛艇傳熱模型，通過數值模擬熱傳導過程獲得了飛艇溫度分布情況。包勝等[20]采用仿真與試驗相結合的方法，對小型高軌星載天線進行了熱分析，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[21-25]基于傳熱理論開展了數值仿真研究。目前，大多文獻都集中在土木建筑領域，對武器裝備的太陽輻射熱效應研究較為有限，相關數據難以獲取，不利于裝備太陽輻射試驗設計。

本文以典型鋁合金金屬板為研究對象，設計了自然環境下太陽輻射熱效應分析試驗方案，分析不同涂層顏色對其熱效應的影響，相關試驗數據可為實驗室太陽輻射試驗設計提供參考。此外，本文建立了一種太陽輻射環境下穩態溫度分析簡化算法，分析了輻照度、風速等因素對金屬板溫度響應的影響。

1 太陽輻射試驗方案設計

針對武器裝備結構中常用的7075鋁合金，本文設計了自然環境太陽輻射試驗方案，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、藍漆、黃漆、綠漆、紫漆。1個表面未涂漆的試驗件表面粗糙度為25 μm，其余9個試驗件均為6.3 μm。將10塊金屬板從1—10對其進行編號，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，布置方式如圖1所示。

本次試驗地點位于西安閻良區，試驗時間為2021年8月21日—9月10日。試驗整體方案如圖2所示，通過支撐臺架放置在空曠的戶外環境，四周無遮擋。其中，試驗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等作用，避免溫度過高對試樣溫度的測量帶來誤差。將標準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（對應圖1中序號9-2）。在周邊放置輻照計，測量環境輻照度以及環境溫度。通過采集裝置每30 s測量一次數據，通過計算機終端實時顯示自然環境下的輻照度和環境溫度，以及試樣溫度。試驗現場照片如圖3所示。

圖1 試驗件布置方式

圖2 金屬板自然環境太陽輻射試驗方案

圖3 試驗現場照片

2 結果及分析

2.1 輻照度測量結果

本次試驗周期內，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時間段內的輻照度分布規律如圖5所示。試驗周期內，大部分時間輻照度受到云層的影響，出現劇烈波動。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在12點30分附近，基本沿該時刻兩側對稱分布。

2.2 金屬板溫度分布測量結果

以8月27日測得的數據進行分析，得到10個試驗件的溫度分布，如圖6所示。各試驗件在12:00—13:00時間段內的平均溫度見表1。由此可得，涂層顏色對試驗件熱效應的影響由高到低為：黑、紫、灰、綠、藍、紅、黃、無色、白色。此外，試驗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件表面溫度上升。分析9月7日試驗數據可得相似的結果。

圖4 試驗周期內每天的最大輻照度

圖5 06:00～19:00時間段內5組晴天的輻照度分布情況

圖6 8月27日試驗數據中試驗件溫度分布情況

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

表1 試驗件12:00—13:00時間段內溫度分布

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

3 穩態溫度計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件表面與大氣對流換熱，其熱流密度c的表達式見式（1），對流換熱系數經驗公式見式（2）。

式中：e表示環境溫度，K；s表示試驗件表面溫度，K；表示對流換熱系數，W/(m2·K)；為風速，m/s。

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

太陽輻射作用下金屬板換熱邊界條件為式（5）。

在達到熱平衡狀態時，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態熱平衡方程為：

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件和地面間的輻射換熱。同時本試驗在空曠的房頂進行，可認為as值為1。式（6）可進一步簡化為式（7）。

該方程是四次非線性方程，求解較為困難。因此，本研究對四次項部分進行簡化。

3.2 穩態溫度分析簡化算法

以8月27日測得的試驗數據為例，對簡化算法進行介紹。在12:00—13:00時間段內，環境平均溫度為29.64 。針對函數式（8），當e=302.79 K時，的值和s的關系如圖7所示。

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

其中，當試驗件（白色金屬板等）熱效應較低時，的值為函數式（8）中在10≤s－e≤20時的平均值9.50；其他情況下，的值為函數式（8）中在20

表2 試驗件溫度理論分析結果和試驗結果對比

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 輻照強度分析

當輻照強度在較高的范圍內變化時，環境溫度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，針對熱效應較高的試驗件，值的變化程度較小。因此，試驗件溫升基本和輻照度成正比。黑色和灰色金屬板8月27日的試驗數據中，各時間段內的平均輻照度和試驗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，產生差異的部分原因為各階段的風速不一致。因此，當自然環境下太陽輻射強度從911.69 W/m2增加到GJB 150.7A—2009中的最大值1 120 W/m2時，可以預測此時的黑色金屬板的溫升將達到40.97 ℃。

3.3.2 風速分析

以8月27日測得黑色金屬板的試驗數據進行分析，當其他條件不變，風速從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輻照度下試驗件溫升隨風速的變化，如圖8所示。可以看出，隨著風速的增加，試驗件溫度的下降幅度在減小。

表3 各時間段輻照度和試驗件溫升對比

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

圖8 風速和試驗件溫升的關系

4 結論

本文以不同形式的7075鋁合金金屬板為試驗對象，設計了自然環境太陽輻射熱效應分析試驗方案，獲取了不同輻照度下各試驗件的溫度，分析了涂層顏色、表面粗糙度等因素對試驗件溫度的影響。此外，本文建立了一種太陽輻射環境下穩態溫度分析簡化算法，分析了輻照度、風速等因素對金屬板溫度響應的影響。得到以下主要結論：

1）通過本次試驗，得到涂層顏色對試驗件熱效應的影響由高到低為黑、紫、灰、綠、藍、紅、黃、無色、白色。此外，試驗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件表面溫度上升。

2）本文建立的簡化算法和試驗數據誤差在5%以內，具有精度高、形式簡單等優勢，可以滿足工程計算需要。

3）針對特定試驗件，輻照度和風速是影響其熱效應的主要因素。其中，當輻照強度在較高的范圍內變化時，試驗件溫升基本和輻照度成正比，隨著自然環境風速的增加，試驗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, 任戰鵬, 李玄, 等.7075鋁合金板自然環境太陽輻射熱效應及影響因素分析[J]. 裝備環境工程, 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.

責任編輯：劉世忠