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长航时高超声速飞行器的综合热效应问题 被引量:31
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作者 桂业伟 刘磊 魏东 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2020年第4期641-650,I0001,共11页
针对长航时高超声速飞行器,分析了气动力/热与结构响应耦合情况下,结构受热变形带来的综合热效应问题。讨论了加热量与温度的关系,指出了在经过长时间加热后温度趋向于稳定时,温度分布特性仍然对结构热安全具有重要意义;明确了用辐射模... 针对长航时高超声速飞行器,分析了气动力/热与结构响应耦合情况下,结构受热变形带来的综合热效应问题。讨论了加热量与温度的关系,指出了在经过长时间加热后温度趋向于稳定时,温度分布特性仍然对结构热安全具有重要意义;明确了用辐射模拟气动加热来进行大面积结构热响应研究的实验途径。论文还讨论了在长时间加热情况下的一些综合热效应问题,明确了在优化设计中要考虑变形带来的对布局和轨道控制的系统性影响;讨论了在耦合实验测量中需要研究发展的技术问题;指出了长航时飞行中热量管理需要关注的几何和物理量多尺度问题。对这些问题的讨论与展望,将对下一步深化长航时高超声速飞行器的热防护和其他相关问题的耦合研究提供参考。 展开更多
关键词 高超声速 长航时飞行器 热防护 综合热效应 多场耦合
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基于TLBM-FVM耦合的飞行器舱内热环境跨尺度预测方法 被引量:4
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作者 肖光明 张超 +3 位作者 桂业伟 杜雁霞 刘磊 魏东 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期178-187,共10页
舱内热环境的有效预测是优化飞行器热控与防热设计、减小系统冗余并保障飞行器热安全的重要基础。在国家数值风洞(NNW)工程支持下,针对目前舱内热环境多尺度、多机制复合传热特点及其数值预测面临的精度与效率提升难题,发展了多区域协... 舱内热环境的有效预测是优化飞行器热控与防热设计、减小系统冗余并保障飞行器热安全的重要基础。在国家数值风洞(NNW)工程支持下,针对目前舱内热环境多尺度、多机制复合传热特点及其数值预测面临的精度与效率提升难题,发展了多区域协同推进的时空耦合模型及流/固界面的自适应分辨率识别算法,建立了基于热格子Boltzmann方法(TLBM)与有限体积法(FVM)相互耦合的舱内复合传热跨尺度预测方法,开展了典型飞行器仪器舱的综合热分析,验证了耦合方法的计算精度及效率。研究表明,相关方法可实现舱内热环境的局部精细化与整体大规模的协同模拟,用于开展整体自然对流与设备局部热量传递的多尺度数值模拟,掌握不同环境参数对舱内热质传递过程的影响规律,从而为飞行器热防护/热管理一体化设计提供重要技术支撑。 展开更多
关键词 热格子Boltzmann方法(TLBM) 有限体积法(FVM) 耦合传热 跨尺度 舱内热环境
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一维和二维电热除冰相变传热特性的参数影响分析 被引量:3
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作者 肖春华 于昆龙 +1 位作者 桂业伟 唐乔乔 《航空动力学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期882-893,共12页
基于飞机电热除冰过程冰层融化的特征,开展了一维和二维电热除冰相变传热特性数值计算研究和参数影响分析,重点考虑了加热模式、冷却时间、加热功率和加热单元间隔等参数对冰层相变传热的影响。采用了基于焓-多孔介质方法的热焓模型,将... 基于飞机电热除冰过程冰层融化的特征,开展了一维和二维电热除冰相变传热特性数值计算研究和参数影响分析,重点考虑了加热模式、冷却时间、加热功率和加热单元间隔等参数对冰层相变传热的影响。采用了基于焓-多孔介质方法的热焓模型,将计算区域看作是包括多层材料和冰、水及其混合区的多孔介质,采用了结构化网格拓扑结构对计算区域进行划分,采用了有限体积方法对控制方程组进行离散,采用线性插值的方法获得混合区的物性参数,耦合能量方程和液态水体积分数公式,迭代求解了计算域的温度分布,获得了不同材料间界面温度的变化,重点分析了冰-保护层界面的温度变化。基于二维电热除冰模型的冰-保护层界面温度不均匀特征,提出了耦合考虑冰-保护层界面热点和冷点温度的冰脱落温度判断准则。研究表明:高功率的周期性加热模式要优于低功率的连续性加热模式,采用合理的冷却时间和加热功率,可获得更低的能量消耗和更好的除冰效果。合理设置加热单元间隔可以提高周期性的除冰效率,但也会形成冷点和热点,造成冰-保护层界面温度分布的不均匀。冰-保护层界面的冷点类似于锚点,即使此刻热点的冰已经融化,整个冰层也无法脱落和剥离。因此,冰脱落的判断要耦合考虑界面热点和冷点的温度特征。 展开更多
关键词 电热 除冰 相变 传热
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热/力耦合作用下基于应力分析的冰破坏准则 被引量:2
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作者 肖春华 桂业伟 +2 位作者 杨升科 郭奇灵 吴海瀛 《航空动力学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第12期2616-2626,共11页
根据飞机热除冰的物理过程,考虑外部空气动力和蒙皮表面加热的作用,建立了NACA 0012翼型前缘冰层应力计算模型。采用有限元方法和平面三角形单元对控制方程组进行了求解,获得了外部空气动力和蒙皮表面加热对冰层黏附界面应力的影响规律... 根据飞机热除冰的物理过程,考虑外部空气动力和蒙皮表面加热的作用,建立了NACA 0012翼型前缘冰层应力计算模型。采用有限元方法和平面三角形单元对控制方程组进行了求解,获得了外部空气动力和蒙皮表面加热对冰层黏附界面应力的影响规律。研究表明:蒙皮表面不加热时,来流速度影响了黏附界面应力的强度,来流攻角影响了黏附界面应力的分布,冰-蒙皮间黏附界面切应力最大值随来流速度呈近似线性增大趋势,但外部空气动力很难造成冰层破坏。蒙皮表面加热时,冰-蒙皮间黏附界面的耦合应力和冰层内部的主应力随着热流密度的增大而增大,很容易超过剪切强度,这是造成冰破坏的关键因素。耦合冰-蒙皮剪切强度随界面温度的变化关系,初步建立了基于应力分析和热/力耦合作用的冰破坏判断准则。外部空气动力产生的界面应力和蒙皮表面加热产生的界面热应力之和,必须大于与蒙皮表面温度相关的剪切强度,则冰层发生破坏,破坏位置是耦合应力超过剪切强度的区域。 展开更多
关键词 除冰 NACA 0012翼型 热/力耦合 冰破坏 黏附界面
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基于微分流形理论的结冰条件下飞机鲁棒动力学边界研究
5
作者 李颖晖 桂业伟 +2 位作者 左仁伟 董泽洪 张久星 《空军工程大学学报(自然科学版)》 CSCD 北大核心 2020年第5期1-8,共8页
基于微分流形理论构建了一种结冰条件下飞机鲁棒动力学边界保护系统设计方案。首先基于微分流形理论计算了飞机未结冰时的动力学边界,并用Monte Carlo法验证了其准确性和高效性;其次,以结冰因子影响模型为基础,研究了不同结冰程度下飞... 基于微分流形理论构建了一种结冰条件下飞机鲁棒动力学边界保护系统设计方案。首先基于微分流形理论计算了飞机未结冰时的动力学边界,并用Monte Carlo法验证了其准确性和高效性;其次,以结冰因子影响模型为基础,研究了不同结冰程度下飞机动力学边界的变化规律;进而提出了飞机鲁棒动力学边界,并设计了结冰条件下飞机鲁棒动力学边界保护系统。当飞机遭遇结冰不利飞行环境时,相比于传统动力学边界,该鲁棒动力学边界不需获取准确的冰型信息和结冰严重程度。考虑当前结冰检测技术手段,提出的方法具有更加广泛的工程应用意义。在飞机超出动力学边界之前,边界保护系统作用使飞行状态保持在安全阈值范围内,从而保证飞机安全可控。 展开更多
关键词 鲁棒动力学边界 飞机结冰 稳定域 微分流形理论
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基于数据挖掘的飞行器气动布局设计知识提取 被引量:12
6
作者 刘深深 陈江涛 +3 位作者 桂业伟 唐伟 王安龄 韩青华 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期344-358,共15页
为了更深入地理解飞行器气动布局设计优化中多目标/多设计变量间的影响关系,提高优化模型的科学性及优化效率,对基于数据挖掘技术的飞行器气动布局隐含设计知识提取问题开展了探索研究。以高升阻比滑翔飞行器布局设计优化问题为例,基于... 为了更深入地理解飞行器气动布局设计优化中多目标/多设计变量间的影响关系,提高优化模型的科学性及优化效率,对基于数据挖掘技术的飞行器气动布局隐含设计知识提取问题开展了探索研究。以高升阻比滑翔飞行器布局设计优化问题为例,基于当前比较有代表性的方差分析、等度量映射、决策树、自组织映射4类机器学习算法对气动布局优化设计中产生的中间数据进行了挖掘分析。对不同方法得到的升阻比、横/侧向稳定性及容积率4种目标性能间的权衡关系,目标性能与设计变量间的敏感性关系及产生较优布局外形的设计变量取值规则进行了综合对比分析,凝练形成了适用于该类飞行器的设计知识,同时对4种方法的特点及适用性进行了总结分析,给出了相关结论。 展开更多
关键词 气动布局优化设计 数据挖掘 知识提取 等度量映射 自组织映射 决策树 总变差分析
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高焓CO2气流壁面两步催化机制对非平衡气动加热影响的数值模拟 被引量:8
7
作者 杨肖峰 桂业伟 +2 位作者 邱波 杜雁霞 肖光明 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期108-116,共9页
针对高超声速火星进入飞行遇到的壁面CO2催化机制特殊且对气动加热影响复杂的问题,基于化学反应系统的三维可压缩流动求解器,建立壁面吸附、Eley-Rideal结合速率受控的壁面CO2两步催化模型。基于70°球锥布局的高焓风洞实验,进行考... 针对高超声速火星进入飞行遇到的壁面CO2催化机制特殊且对气动加热影响复杂的问题,基于化学反应系统的三维可压缩流动求解器,建立壁面吸附、Eley-Rideal结合速率受控的壁面CO2两步催化模型。基于70°球锥布局的高焓风洞实验,进行考虑壁面催化效应的高超声速非平衡气动加热数值模拟,开展考虑CO+O(s)和O+CO(s)两类CO2两步催化路径对非平衡气动加热的影响研究。研究表明,壁面O2和CO2结合并存且存在相互竞争关系,催化加热量随催化效率增大而单调增加。数值计算建立了催化路径与非平衡加热水平的定量关联,研究发现CO2两类催化路径权重与加热量存在非单调关联,特定权重下两种路径联合作用的热流高于单个催化结果。相关研究对碳氧气体主导的壁面催化机理和火星进入气动加热的精细化预测有重要的理论指导意义。 展开更多
关键词 壁面两步催化 气动加热 化学非平衡 高焓CO2气流 数值模拟
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考虑非平衡效应的对流换热特性耦合模拟及热壁修正新思路 被引量:3
8
作者 杨肖峰 肖光明 +2 位作者 桂业伟 刘磊 杜雁霞 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第S02期152-160,共9页
高超声速飞行产生的化学非平衡效应及其与表面结构/材料传热的相互作用,带来更为复杂的耦合对流换热特性,并造成用于气动热环境快速预测与评估的热壁修正方法适用性变差。针对上述问题,以碳氧离解环境碳基材料耦合催化加热为研究对象,... 高超声速飞行产生的化学非平衡效应及其与表面结构/材料传热的相互作用,带来更为复杂的耦合对流换热特性,并造成用于气动热环境快速预测与评估的热壁修正方法适用性变差。针对上述问题,以碳氧离解环境碳基材料耦合催化加热为研究对象,在高超声速气动热与结构传热耦合数值模拟的研究基础上,进一步考虑化学非平衡效应和气固界面高温化学效应,分析耦合条件下飞行器对流换热特性,并根据耦合模拟结果提出了通过对气动加热按物理过程的贡献进行分解来改进热壁修正方法的新思路。 展开更多
关键词 化学反应 计算流体力学 对流 热壁修正 界面物理 非平衡效应 高超声速
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基于PCA降维的气动外形参数化方法 被引量:6
9
作者 余婧 蒋安林 +3 位作者 刘亮 吴晓军 桂业伟 刘深深 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期62-81,共20页
几何参数化建模是气动布局设计的关键技术之一,简洁、高效、准确的几何表征对于提高飞行器设计效率和质量有着至关重要的作用。基于主成分分析(PCA)的特征提取降维,可以在满足几何表征精度的条件下,进一步降低现有参数化方法的维度,更... 几何参数化建模是气动布局设计的关键技术之一,简洁、高效、准确的几何表征对于提高飞行器设计效率和质量有着至关重要的作用。基于主成分分析(PCA)的特征提取降维,可以在满足几何表征精度的条件下,进一步降低现有参数化方法的维度,更好地服务于气动布局设计。本文介绍了基于PCA的翼型参数建模方法,分析了采样空间设计、样本数量、采样参数、几何重构方式等各个因素对PCA建模过程中降维能力、基模态特性以及几何表征能力的影响。通过CFD仿真分析,进一步探究PCA建模方法在气动性能表征方面的能力。仿真分析指出:基于PCA的翼型参数化方法,可以在满足几何外形表征精度的条件下降低现有方法参数维度,且其设计参数与几何特性有对应关系,利于在布局设计中加入工程经验;基于同一类采样方式的PCA建模,其模态特性、降维能力和几何外形拟合能力受采样空间、样本数量的影响很小,但对采样方法的参数配置较为敏感;本文所研究的建模方法,可在保证几何表征精度的同时满足气动力表征精度,其在气动布局设计优化中,具有一定的指导意义。 展开更多
关键词 气动外形优化 翼型参数化 主成分分析 几何参数化 本征正交分解
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火星进入器高超声速化学非平衡特性数值计算研究 被引量:2
10
作者 杨肖峰 唐伟 +3 位作者 张昊元 桂业伟 刘磊 杜雁霞 《载人航天》 CSCD 2016年第6期694-699,共6页
火星探测活动是当前国际深空探测领域的热点,而探测器的进入、下降和着陆阶段的气动特性预测是关系其布局和热防护系统设计的关键问题之一。针对火星进入器高超声速进入过程,发展了火星环境的高超声速化学非平衡流动数值模拟方法,建立... 火星探测活动是当前国际深空探测领域的热点,而探测器的进入、下降和着陆阶段的气动特性预测是关系其布局和热防护系统设计的关键问题之一。针对火星进入器高超声速进入过程,发展了火星环境的高超声速化学非平衡流动数值模拟方法,建立了进入段气动特性的有效预测技术。以探路者号火星进入器防热大底为研究对象,采用5组分6化学反应模型开展典型弹道点上的化学反应流动数值模拟。结果表明:CO_2在激波层内发生较大程度的离解反应,火星进入器高超声速化学非平衡特性显著。因化学反应作用强烈,激波层内热传导所致热流量相对较低,而组分扩散造成的热流量占一定比重,计算所得的驻点总加热量与经验公式吻合良好。火星环境的化学非平衡特性的有效预测可为我国未来火星探测任务提供技术支持。 展开更多
关键词 火星进入器 高超声速 化学非平衡 数值模拟 气动热
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动量增升高升阻比飞行器横航向稳定性研究 被引量:2
11
作者 刘深深 罗磊 +3 位作者 韩青华 唐伟 桂业伟 贾洪印 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期3010-3021,共12页
考虑高超声速飞行器装填、防热及操稳等多约束条件下的实用化设计需求,提出一种新型下反式高升阻比滑翔飞行器气动布局。借鉴乘波体飞行器的高升力设计方法及动量增升原理,该新型飞行器采用下反式后掠翼构型,上表面为光滑倒圆“Λ”形设... 考虑高超声速飞行器装填、防热及操稳等多约束条件下的实用化设计需求,提出一种新型下反式高升阻比滑翔飞行器气动布局。借鉴乘波体飞行器的高升力设计方法及动量增升原理,该新型飞行器采用下反式后掠翼构型,上表面为光滑倒圆“Λ”形设计,下表面为内凹的装填空间,为尽可能避免长时间超远距离高超声速飞行带来的防热负担,采用后缘体襟翼及体侧扩张方向舵面设计。采用数值计算方法对所提布局思路进行验证分析,计算结果表明:在飞行高度为40 km,Ma=10的条件下升阻比可以达到4.48左右,在一定迎角范围内均具备很高的气动效率,验证了所提布局的有效性。同时重点针对所提布局共性的横航向稳定性问题基于数值模拟方法探讨了3种不同优化改进方案的效果及可行性,并采用风洞试验对两侧翼梢V尾的控制方案进行横航向稳定性控制效果的试验验证,结果表明:采用两侧翼梢V尾的控制方案是实现横航向稳定性控制的较优方案。 展开更多
关键词 高超声速飞行器 高升阻比 下反 气动布局 概念设计 横航向稳定性
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燃气舵流动性能及其材料烧蚀剥蚀行为研究进展
12
作者 程经理 桂业伟 +3 位作者 曾磊 刘骁 杨肖峰 石友安 《复合材料学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期4720-4739,共20页
燃气舵因能够快速响应、完成大幅度姿态角转动而被广泛地研究与应用,但燃气舵表面烧蚀剥蚀问题严重制约了其发展。本文讨论了燃气舵相关代表性工作研究进展,包括燃气舵流动性能问题、金属材料和复合材料燃气舵结构表面热化学烧蚀及机械... 燃气舵因能够快速响应、完成大幅度姿态角转动而被广泛地研究与应用,但燃气舵表面烧蚀剥蚀问题严重制约了其发展。本文讨论了燃气舵相关代表性工作研究进展,包括燃气舵流动性能问题、金属材料和复合材料燃气舵结构表面热化学烧蚀及机械剥蚀问题。此外,针对轻质化复合材料燃气舵是未来发展的必然趋势,就其面临的复杂环境下的烧蚀剥蚀问题,还讨论了其他相关复合材料结构烧蚀剥蚀代表性工作,以供借鉴。据此,最后提出了复合材料燃气舵未来的发展重点,以期为复合材料燃气舵在国内的研究、应用及发展提供参考。 展开更多
关键词 燃气舵 气动传热特性 复合材料 烧蚀剥蚀 高焓颗粒
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含椭圆算子的反射随机偏微分方程
13
作者 钱鸿超 李睿智 +1 位作者 桂业伟 彭君 《数学理论与应用》 2024年第1期16-30,共15页
本文考虑一类含椭圆算子的多维反射随机偏微分方程,其解被限制在一个有界凸区域内.本文将利用惩罚法建立其解的存在唯一性定理.
关键词 随机偏微分方程 反射 惩罚法 凸区域 椭圆算子
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超声固体测温中的二维温度场重建算法研究 被引量:14
14
作者 石友安 魏东 +3 位作者 曾磊 钱炜祺 桂业伟 杜雁霞 《中国科学:技术科学》 EI CSCD 北大核心 2019年第5期518-530,共13页
高分辨率的温度场重建算法是制约超声波无损探测固体内部温度分布的重要因素之一.本文基于多路超声探测方法,建立了超声测量二维固体结构内部温度分布的理论模型;从射线声学角度建立了二维声传播路径预测方法;在此基础上,从直接求解热/... 高分辨率的温度场重建算法是制约超声波无损探测固体内部温度分布的重要因素之一.本文基于多路超声探测方法,建立了超声测量二维固体结构内部温度分布的理论模型;从射线声学角度建立了二维声传播路径预测方法;在此基础上,从直接求解热/声耦合反问题角度入手,将二维瞬态非均匀温度场的重建问题转化为传播路径预测和等效热边界的反演问题,发展了一种高分辨率的结构内部二维非均匀温度场重建方法,并通过数值仿真分析了传播路径随温度的弯曲特性、算法的精度与抗噪性、测点位置分布对重建精度的影响规律等.数值对比表明,本文所建算法精度高、抗噪性强、适用性好,为实现超声固体测温中的二维温度场的高分辨率再现奠定坚实基础. 展开更多
关键词 超声固体测温 温度场重建 热声耦合反问题 传播路径 热边界反演
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表面催化特性对火星进入气固耦合热效应的影响研究 被引量:6
15
作者 杨肖峰 桂业伟 +2 位作者 刘磊 唐伟 杜雁霞 《中国科学:技术科学》 EI CSCD 北大核心 2018年第9期939-949,共11页
高超声速进入火星大气层过程特殊且复杂的高温真实气体效应及气固界面热化学作用给火星进入器耦合气动热环境的精准预测带来巨大挑战.针对火星进入气固耦合问题,建立非平衡气动热环境和结构热响应的耦合计算方法,开展进入器防热大底高... 高超声速进入火星大气层过程特殊且复杂的高温真实气体效应及气固界面热化学作用给火星进入器耦合气动热环境的精准预测带来巨大挑战.针对火星进入气固耦合问题,建立非平衡气动热环境和结构热响应的耦合计算方法,开展进入器防热大底高超声速非平衡气动加热和结构传热的耦合计算分析,获得了典型弹道点上气固界面非平衡热化学作用对耦合加热的影响规律.耦合分析表明,壁温梯度所致的对流热流和组分扩散热流均对高超声速非平衡气动加热有较大影响;当前耦合计算状态下组分扩散热流占总热流的主要部分,尤其CO2部分影响最大;所计算的热防护系统能够有效阻止气动热向舱内传递,防隔热性能良好,表面热流与辐射散热可快速趋于局部热辐射平衡,可采用辐射平衡壁面条件解耦模拟气动热环境;完全非催化/完全催化壁面热流随耦合时间逐渐降低,但有限速率催化热流因界面非平衡热化学效应而先增后降;壁面热流与壁温的线性度因界面非平衡热化学所致扩散热流的引入而减弱. 展开更多
关键词 气动加热 结构传热 耦合计算 火星进入器 表面热化学 催化加热
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Improved monochromatic pyrometry for synchronous measurement of full-field temperature and deformation 被引量:1
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作者 ZHANG JinSong YUE MengKun +4 位作者 WANG JinYang TANG YunLong JIANG JinSong gui yewei FENG Xue 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第9期2033-2046,共14页
Measuring the temperature and deformation synchronously at elevated temperatures is technically challenging and has become a major concern in the evaluation of mechanical properties. In this study, a simple, easy-to-i... Measuring the temperature and deformation synchronously at elevated temperatures is technically challenging and has become a major concern in the evaluation of mechanical properties. In this study, a simple, easy-to-implement, yet effective monochromatic pyrometry is established for non-contact and full-field temperature measurements, which can significantly reduce the error caused by the camera’s channel crosstalk that commonly occurs in the existing improved two-color method. In addition, hightemperature digital image correlation, combined with band-pass filtering and monochromatic illumination, is applied for deformation measurement. Subsequently, an experimental system was set up to validate the accuracy of the proposed method,which consists of a CCD camera for image capturing, a blue bandpass filter for radiation suppression, blue light irradiation for light compensation, and an infrared pyrometer for temperature recording. The results of the thermal heating experiment on the C/SiC sample proved that the selection of camera channel R in monochromatic pyrometry can reduce the error by channel crosstalk,and the proposed method is applicable for synchronous measurement of temperature and deformation. 展开更多
关键词 synchronous measurement monochromatic pyrometry high-temperature DIC
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