熔融盐多参数联合测量系统

项目概述

国家重大科学仪器研制（自由申请）项目——"高温液态熔盐导热系数和辐射物性参数联合测量系统研制"（批准号：52227813），执行年限2023.01–2027.12，中央财政经费748.45万元。由哈尔滨工业大学空天热物理工信部重点实验室承担（负责人：帅永教授）。 项目目标：研制一套能够准确、高效测量高温液态熔盐导热系数与辐射物性参数（折射率、吸收系数）的联合测量系统，突破传统方法中导热–辐射强耦合无法解耦的技术瓶颈。 ---

一、在线测量系统总体设计

高温液态熔盐热物性在线测量系统由高温恒温腔、高精度变厚度系统、调制激励热源系统、红外测温探测系统、数据采集与控制系统五大子系统构成。

• 高温恒温腔：维持炉温稳定（300–800°C，均匀性 ≤ ±0.5°C）
• 高精度变厚度系统：位移台 + 支撑杆件，熔盐厚度连续可调
• 调制激励热源系统：氙灯 / 多模块组合光纤激光器 / 准连续光纤激光器
• 红外测温探测系统：红外探测器 + 离轴抛物镜组 + "薯塔"型防热扰动结构
• 数据采集与控制系统：上位机集成温度/厚度/激光联动控制和实时显示

软件系统包括在线测量上位机（状态显示、温度/厚度/激光控制、测量结果显示）与数据分析软件（导入工况数据，自动分析导热系数、折射率与吸收系数）。 ---

二、变厚度封装与精密加工技术

设计并加工了高温液态熔盐变厚度封装组件：不锈钢基体与顶盖对外部石墨坩埚形成刚性约束，内部石墨坩埚通过精密适配结构与陶瓷支撑棒相连，实现高精度位置调控。通过矩形键槽与定位销组件构建周向刚性防转约束，消除了熔盐厚度调节过程中的相对旋转偏移风险。 厚度标定验证：以水为模拟介质开展标定实验，通过千分尺精准测量实际厚度，验证了变厚度系统的准确性。

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三、高效降噪探测光路设计

3.1 离轴抛物镜组光路

设计了一套基于离轴抛物面反射镜组的低球差、消色差视场可调探测光路。相比直接探测，该系统能有效控制探测区域视场大小，保证了不同温度下探测区域的一致性。

3.2 "薯塔"型自然对流抑制结构

高温下熔盐表面自然对流引起的热扰动是影响测量精度的关键因素。项目提出了一种创新的"薯塔"型构件：

• 未配置时：熔盐表面自然对流峰值流速达 0.45 m/s
• 配置"薯塔"后：对流流速被抑制至 0.2 m/s，降幅达 55.6%
• 在 200°C、400°C、600°C 宽温域内均表现出显著抑制效果

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四、辐射–导热耦合传热模型与算法

4.1 改进源项缓存函数蒙特卡洛法（SVC-FMC）

基于统一概率模型与叠加原理，构建了适用于调制激励热源作用下的容积辐射–导热耦合传热模型：

• 利用线性叠加原理，将控制方程中的辐射热源项与导热微分项解耦
• 提取"辐射分配因子矩阵"与"能量分配因子矩阵"
• 实现非线性耦合传热过程的高效隐式求解

4.2 温度–谱依赖非线性拓展（MSVC-FMC）

通过等效质量流与射线轨迹修正将空间变物性问题等效为均匀问题，结合 Kirchhoff 变换与相对波段辐射强度修正处理温度–谱依赖非线性。 计算误差：最大相对误差 ≤ 1.36%，最小相似度 ≥ 0.999454（亚百分比量级）。

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五、多参数联合反演模型算法

5.1 "辐射峰 + 导热峰"双峰特征提取

辐射传输（快路径）与导热传输（慢路径）在时间尺度上存在显著差异。项目据此提出了双峰信息提取策略，将全波形高维数据降维为两个关键特征点，建立三维参数空间与瞬态热响应之间的解耦映射关系。

5.2 多厚度几何约束联合反演

利用可变厚度实验装置测量多厚度实验信号，通过增加几何约束消除单厚度反演中的多值性映射歧义，显著改善反问题的适定性。

5.3 反演算法体系

反演方法适用场景关键性能 量子粒子群优化（QPSO）均匀介质 λ + κ全局搜索强，λ 误差 0.094% 双峰模式搜索法λ + n数据压缩，λ 误差 2.13×10⁻⁴ CMA-ES 矩阵解耦反演三参数联合反演19 次迭代收敛至 10⁻⁵ 模式搜索–粒子滤波联合κ 低敏感场景分步反演优于同时反演 贝叶斯推断（KOH）模型失配校正量化后验分布 ---

六、实验验证

6.1 太阳盐反演测试

实验条件：初始温度 250°C，激光脉冲 4 ms，功率 4500 W，光斑直径 9.8 mm。

• 分别对 0.55 mm 和 0.75 mm 厚度进行实验
• 反演结果：n = 1.3，κ = 1500，λ = 0.347 W/(m·K)
• 将反演参数代入正问题模型进行计算验证

图中展示了反演参数代入正问题模型计算得到的坩埚上表面温度响应信号与实验测量值的对比，两者吻合良好，验证了反演算法的准确性与可靠性。

6.2 关键技术指标

参数测量范围目标精度 温度300–800°C± 0.5°C 导热系数0.1–5 W/(m·K)≤ 5% 吸收系数10–5000 m⁻¹≤ 10% 光谱范围0.3–15 μm—

6.3 学术成果

• 发表高水平学术论文多篇（含《工程热物理学报》等 EI 期刊）
• 申请发明专利 2 项
• 国际会议报告：ISMTMF 2025（Keynote）、ATPC 2025 等

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项目创新点

• 双峰物理解耦：利用时域敏感性差异，提出"辐射峰 + 导热峰"特征提取策略，实现导热与辐射的物理解耦
• 统一概率隐式求解：构建 SVC-FMC / MSVC-FMC 框架，鲁棒性优于传统显式 / 半隐式方法
• 多厚度几何约束：通过变厚度测量增加几何约束，从根本上改善反问题适定性
• 完整反演算法链：形成 QPSO → 模式搜索 → CMA-ES → 粒子滤波 → 贝叶斯推断的完整体系

技术栈

• 仿真建模: COMSOL Multiphysics, 自研蒙特卡洛求解器（SVC-FMC / MSVC-FMC）
• 反演算法: MATLAB（QPSO, CMA-ES, 模式搜索, 粒子滤波, 贝叶斯推断）
• 实验控制: LabVIEW（上位机 + 数据分析软件）
• 硬件系统: 高温恒温腔、氙灯 / 光纤激光器、离轴抛物镜红外探测器、高精度位移台