7075铝合金板自然环境太阳辐射热效应及影响因素分析

雷凯，任战鹏，李玄，马建军，吴竞

7075铝合金板自然环境太阳辐射热效应及影响因素分析

雷凯，任战鹏，李玄，马建军，吴竞

（中国飞机强度研究所，西安 710065）

研究典型金属材料在自然太阳辐射环境下的热效应，并分析试验件属性及环境参数等不同因素对材料热效应的影响规律。通过设计自然环境下太阳辐射热效应试验方案，分析涂层颜色、粗糙度等对7075铝合金材料太阳辐射热效应的影响，建立一种太阳辐射环境下稳态温度的计算算法。获取了在9月前后20 d内的外场辐照度及10组试验件的温度测量数据，得到了涂层颜色、粗糙度等对材料热效应的影响规律。此外，建立的简化算法和试验数据误差在5%以内，具有精度高、形式简单等优势，可以应用于给定辐照强度下典型材料热效应的预测。针对特定试验件，辐照度和风速是影响其热效应的主要因素。当辐照强度在较高的范围内变化时，试验件温升基本和辐照度成正比。随着自然环境风速的增加，试验件温度的下降幅度减小。

太阳辐射；热效应；工程算法；涂层颜色；粗糙度；辐照度；风速

太阳辐射试验是验证工业产品环境适应性的一项典型试验，用于确定太阳辐射对产品产生的热效应和光化学效应[1-3]。对于军用装备，太阳辐射试验是其研制过程中的必要试验，一般在自然环境和人工模拟的实验室环境中开展[4]。由于实验室试验具有条件可控、周期短、可复现性等一系列优点，是我国装备太阳辐射环境适应性验证的主要手段。针对太阳辐射试验热效应分析，GJB 150.7A—2009《军用装备实验室环境试验方法第七部分：太阳辐射试验》[5]给出了具体的试验程序。该程序以1 h为间隔，要求了每个时间点的环境温度以及辐照度。为了防止“过试验”和“欠试验”，该标准指出应对模拟光源的辐照度进行调整，以得到相同的热效应，保证实验室环境和自然环境具有等效性。因此，在开展某试验件实验室太阳辐射试验前，首先应分析其典型组成材料在外场太阳辐射环境下的温度响应，作为实验室环境等效性分析的基础[6]。

针对太阳辐射试验方法，国内外学者主要从试验和仿真2方面对太阳辐射环境热效应分析开展了相关研究。在试验方面，Abu Talib等[7]设计了4种颜色（红、黑、白、灰）的圆筒结构试验件，研究了自然太阳辐射环境对发动机短舱结构的热效应。陈志华等[8]采用分光光度计测定了钢结构常用涂料的太阳辐射吸收系数，基于实测数据得到了面漆颜色对结构温度场和温度效应具有较大影响等结论。董海荣等[9]通过开展涂料外饰面材料自然环境太阳辐射试验，分析了不同颜色和粗糙度对其温度的影响。羊军等[10]设计了实验室全光谱太阳辐射试验温度测量方案，获取了线缆设备的温度分布。万章博等[11]分析了混凝土结构组成的无砟轨道道床板在冬季太阳辐射下的表面温度分布。孙永康等[12]分析了不同铺装材料在太阳辐射下的热效应。陈可等[13]通过对钢管混凝土拱肋截面日照温度场进行现场测试，得出了钢管混凝土拱肋截面沿直径方向出现最大温差时的温差分布曲线。在仿真方面，潘丞雄等[14]通过数值仿真研究了直升机机身表面的温度场，分析了太阳辐射对结构的温升效应。王连江等[15]通过CFD软件建立了考虑太阳辐射的飞机座舱温度场仿真模型。庞丽萍等[16]通过实测并结合仿真分析开展了民机客舱中太阳辐射对热舒适性的影响研究。姚英姿等[17]建立了户外电子设备热仿真模型，研究了不同防护方式对热效应的影响。李丽芬[18]通过试验方法对海南湿热气候条件下汽车的热环境参数进行了实测，并基于ICEM CFD软件，建立了整车热负荷数值计算模型，研究表明，太阳辐射下汽车零部件的热负荷十分严酷。乔木等[19]利用FLUENT中太阳加载模型，并开发UDF程序，建立了飞艇传热模型，通过数值模拟热传导过程获得了飞艇温度分布情况。包胜等[20]采用仿真与试验相结合的方法，对小型高轨星载天线进行了热分析，研究了全轨道工况下不同太阳辐射角和不同天线材料表面吸收率和发射率的比值/对天线温度的影响。针对混凝土、路面、桥梁、大坝等，文献[21-25]基于传热理论开展了数值仿真研究。目前，大多文献都集中在土木建筑领域，对武器装备的太阳辐射热效应研究较为有限，相关数据难以获取，不利于装备太阳辐射试验设计。

本文以典型铝合金金属板为研究对象，设计了自然环境下太阳辐射热效应分析试验方案，分析不同涂层颜色对其热效应的影响，相关试验数据可为实验室太阳辐射试验设计提供参考。此外，本文建立了一种太阳辐射环境下稳态温度分析简化算法，分析了辐照度、风速等因素对金属板温度响应的影响。

1 太阳辐射试验方案设计

针对武器装备结构中常用的7075铝合金，本文设计了自然环境太阳辐射试验方案，分析了涂层颜色和表面粗糙度对其温升的影响。其中，试验件由10件300 mm×300 mm×2 mm的金属板组成，2个为裸材铝板，表面未涂漆，其余分别在上下表面涂黑漆、白漆、灰漆、红漆、蓝漆、黄漆、绿漆、紫漆。1个表面未涂漆的试验件表面粗糙度为25 μm，其余9个试验件均为6.3 μm。将10块金属板从1—10对其进行编号，颜色分别为黄、黑、无色（粗糙度25）、紫、白、红、绿、灰、无色（粗糙度6.3）、蓝，布置方式如图1所示。

本次试验地点位于西安阎良区，试验时间为2021年8月21日—9月10日。试验整体方案如图2所示，通过支撑台架放置在空旷的户外环境，四周无遮挡。其中，试验支持台架放置于地面上，在台架表面放置橡塑海绵，减少地面反射太阳光对试验件温度的影响。此外，橡塑海绵表面粘贴有铝箔，起反射太阳光和防护等作用，避免温度过高对试样温度的测量带来误差。将标准试样放置在橡塑海绵上，四周通过金属胶带固定。在下表面中心处粘贴热电偶，其编号和试验件编号一致。为了研究金属板上下表面的温度差异，在9号板上表面中心处布置一个热电偶（对应图1中序号9-2）。在周边放置辐照计，测量环境辐照度以及环境温度。通过采集装置每30 s测量一次数据，通过计算机终端实时显示自然环境下的辐照度和环境温度，以及试样温度。试验现场照片如图3所示。

图1 试验件布置方式

图2 金属板自然环境太阳辐射试验方案

图3 试验现场照片

2 结果及分析

2.1 辐照度测量结果

本次试验周期内，测得每天的最大辐照度如图4所示。其中，辐照度较低的几天为阴天或雨天。5组晴天06:00—19:00时间段内的辐照度分布规律如图5所示。试验周期内，大部分时间辐照度受到云层的影响，出现剧烈波动。8月27日—9月7日的天气情况较为理想，测得的最大辐照度出现在12点30分附近，基本沿该时刻两侧对称分布。

2.2 金属板温度分布测量结果

以8月27日测得的数据进行分析，得到10个试验件的温度分布，如图6所示。各试验件在12:00—13:00时间段内的平均温度见表1。由此可得，涂层颜色对试验件热效应的影响由高到低为：黑、紫、灰、绿、蓝、红、黄、无色、白色。此外，试验件上表面温度略高于下表面温度，较糙度的表面会引起试验件表面温度上升。分析9月7日试验数据可得相似的结果。

图4 试验周期内每天的最大辐照度

图5 06:00～19:00时间段内5组晴天的辐照度分布情况

图6 8月27日试验数据中试验件温度分布情况

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

表1 试验件12:00—13:00时间段内温度分布

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

3 稳态温度计算简化算法及影响因素分析

3.1 热传递理论分析

太阳辐射作用下，金属板热传递主要包括热对流和热辐射，其中热对流的主要形式为试验件表面与大气对流换热，其热流密度c的表达式见式（1），对流换热系数经验公式见式（2）。

式中：e表示环境温度，K；s表示试验件表面温度，K；表示对流换热系数，W/(m2·K)；为风速，m/s。

热辐射的主要形式为太阳辐射产生的热流密度s和辐射换热产生的热流密度r，r包括试验件与天空之间的辐射换热和试验件和地面间的辐射换热。s的计算公式为：

太阳辐射作用下金属板换热边界条件为式（5）。

在达到热平衡状态时，式（5）的值为0。由式（1）、（3）和（4）可得太阳辐射作用下金属板稳态热平衡方程为：

由于地面反射的太阳光被橡塑海绵吸收，因此分析中忽略了试验件和地面间的辐射换热。同时本试验在空旷的房顶进行，可认为as值为1。式（6）可进一步简化为式（7）。

该方程是四次非线性方程，求解较为困难。因此，本研究对四次项部分进行简化。

3.2 稳态温度分析简化算法

以8月27日测得的试验数据为例，对简化算法进行介绍。在12:00—13:00时间段内，环境平均温度为29.64 。针对函数式（8），当e=302.79 K时，的值和s的关系如图7所示。

一般情况下，试验件稳定温度s大于环境温度e的值在10～60 K，函数式值为10.57～9.01。分析中可以选取为某常数，通过该方法可将四次项部分近似表达为一次项。由图7可以看出，当试验件热效应较低时，值的变化幅度相对较大。因此，针对该情况，常数值的设置采用见式（9）。

其中，当试验件（白色金属板等）热效应较低时，的值为函数式（8）中在10≤s－e≤20时的平均值9.50；其他情况下，的值为函数式（8）中在20

表2 试验件温度理论分析结果和试验结果对比

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

3.3 影响因素分析

3.3.1 辐照强度分析

当辐照强度在较高的范围内变化时，环境温度e的变化幅度不高，由式（8）和式（9）可得，值的变化程度较小。此外，由图7可知，针对热效应较高的试验件，值的变化程度较小。因此，试验件温升基本和辐照度成正比。黑色和灰色金属板8月27日的试验数据中，各时间段内的平均辐照度和试验件温升对比情况见表3。可以看出，辐照度的变化幅度基本和温升变化幅度相同，产生差异的部分原因为各阶段的风速不一致。因此，当自然环境下太阳辐射强度从911.69 W/m2增加到GJB 150.7A—2009中的最大值1 120 W/m2时，可以预测此时的黑色金属板的温升将达到40.97 ℃。

3.3.2 风速分析

以8月27日测得黑色金属板的试验数据进行分析，当其他条件不变，风速从0 m/s按照0.5 m/s的幅度增加至5 m/s时，值从6.19 W/(m2·K)变化到26.21 W /(m2·K)。可得911.69 W/m2辐照度下试验件温升随风速的变化，如图8所示。可以看出，随着风速的增加，试验件温度的下降幅度在减小。

表3 各时间段辐照度和试验件温升对比

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

图8 风速和试验件温升的关系

4 结论

本文以不同形式的7075铝合金金属板为试验对象，设计了自然环境太阳辐射热效应分析试验方案，获取了不同辐照度下各试验件的温度，分析了涂层颜色、表面粗糙度等因素对试验件温度的影响。此外，本文建立了一种太阳辐射环境下稳态温度分析简化算法，分析了辐照度、风速等因素对金属板温度响应的影响。得到以下主要结论：

1）通过本次试验，得到涂层颜色对试验件热效应的影响由高到低为黑、紫、灰、绿、蓝、红、黄、无色、白色。此外，试验件上表面温度略高于下表面温度，较糙度的表面会引起试验件表面温度上升。

2）本文建立的简化算法和试验数据误差在5%以内，具有精度高、形式简单等优势，可以满足工程计算需要。

3）针对特定试验件，辐照度和风速是影响其热效应的主要因素。其中，当辐照强度在较高的范围内变化时，试验件温升基本和辐照度成正比，随着自然环境风速的增加，试验件温度的下降幅度在减小。

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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.

雷凯, 任战鹏, 李玄, 等.7075铝合金板自然环境太阳辐射热效应及影响因素分析[J]. 装备环境工程, 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

雷凯（1993—），男，硕士。

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.

责任编辑：刘世忠