Monte-Carlo方法在黑体空腔有效发射率计算中的应用

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1、2010年4月宇航计测技术Apr．，2010第30卷第2期JournalofAstronauticMetrologyandMeasurementV01．30，No．2文章编号：1000—7202(2010)02—0026—04中图分类号：TH765．2文献标识码：AMonte-Carlo方法在黑体空腔有效发射率计算中的应用孙富韬(北京航天计量测试技术研究所，北京100076)摘要采用Monte．Carlo法对圆柱型等温空腔的有效发射率进行计算，对影响空腔有效发射率的一些因素进行了分析，并讨论了腔壁材料的光谱发射率对空腔有效发射率的影响，为黑体空腔的设计计算提供理论计算依

2、据。关键词空腔辐射特性Monte．Carlo法发射率CalculationoftheEffectiveEmissivitiesofBlackbodyCavitybytheMonte·CarloMethodSUNFu．tao(BeijingAerospaceInstituteofMetrologyandMeasurementTeehology，Bering100076)AbstractTheeffectiveemissivitiesofcylinderisothermalcavityarecalculatedbyMonte-Carlomethod．Thefactorsof

3、haveinfluenceontheeffectiveemissivitiesofcavitiesareanalyzed；Theinfluenceofthespectralemissivityontheeffectiveemissivitiesofblackbodycavitiesarediscussed．ItCal'!beusedallthetheoreticalcalculationbasisforthedesignofcomplicatedblackbodycavity．KeywordsCavityradiationpropertiesMonte-Carlomet

4、hodEmissivity1引言黑体空腔是产生稳定光谱辐射的标准辐射源，在高温辐射测量领域具有极其重要的地位。白1927年，Buckley首次提出空腔的积分方程理论起，人们对黑体空腔发射率的计算方法进行了广泛而深入的探讨。空腔的有效发射率是评价黑体空腔性能的一个重要指标，它反映了实际黑体接近理想黑体的程度。然而，有效发射率的精确测量是很困难的，所以标准黑体空腔的有效发射率值通常采用理论计算的方法。空腔有效发射率计算方法主要有多次反射方法、积分方程方法和Monte—Carlo方法。多次反射方法主要有两种方法：Gouffe方法和DeVos方法。前者适用于低温球形空腔，而后者

5、则适用于任意形状腔体以及非等温空腔。积分方程方法由Buckley·Sparrow提出。它主要是解出各种典型腔体的有效发射率分布，而且适用于等温腔和非等温腔。这种理论后来得到了Bedford和Ma的发展，他们提出了梯形区域的近似解法，大大简化了Sparrow的原有解法。我国高魁明教授等提出的矩形区域近似解法，又进一步改进收稿日期：2009一10—14；修回日期：2010—01—26作者简介：孙富韬(1980一)，男，硬士研究生，主要从事热学计量测试技术的研究。第2期Monte—Carlo方法在黑体空腔有效发射率计算中的应用·27·了积分方程理论的计算方法。Monte-Ca

6、rlo方法主要是通过对黑体空腔内大量发射点的热辐射过程的跟踪计算，来建立随机过程模拟，从而运用统计方法求得腔体的发射率。这种方法不仅能计算等温与非等温腔体的发射率，而且也能计算沿腔体的发射率分布。它不仅适用于漫射腔，也可作为解决实际存在的镜．漫混合反射模式的空腔辐射特性的先决条件。2Monte-Carlo方法应用Monte·Carlo方法应用于黑体空腔有效发射率的计算，主要有两种方法。2．1直接计算空腔的有效发射率将辐射能量分离成独立的携带一定能量E的光子束均匀的从腔壁上各发光点射出，各光束的能量与发光点的位置温度有关。为使计算尽快收敛到一个合适的水平，采用能量分配的方

7、法，即任一光束的能量分为两部分，一部分直接通过腔口出射未经任何表面反射，另～部分能束的能量在空腔内经过若干次反射，光束运动按物理过程随机性一步步进行，不断地对它进行跟踪计算，直到吸收为止。如此跟踪大量光束，确定空腔的辐射特性。空腔发射率可写为占。(A，r)=j：‰(1)式中：E。(A，r)——空腔由腔口辐射出的辐射功率；A。——空腔开口面积；玩(A，To)——在温度％和波长A下的黑体单色辐射功率。2．2间接计算空腔的有效发射率假设空腔是不透明的。根据基尔霍夫定律及腔壁材料的发射谱线与吸收谱线重合的情况可知，当空腔处于热辐射平衡时，发射率数