石英燈管輻射加熱性能研究

黨揚帆

(中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710000)

地面熱試驗氣動熱加載主要包括以高溫風洞為主的對流式加熱方式和以石英燈管輻射為主的非對流式加熱方式,而石英燈管輻射加熱由于其熱慣性小、熱效率高、電控性能好等優勢被多個國家普遍應用。因此,國內外許多學者對其輻射性能進行了深入研究,Travis L. Tumer[1]、夏吝時等[2-7]基于蒙特卡洛法分析了燈管功率、燈管數量、燈陣高度、反射板面積、反射板高度等因素對平板表面溫度分布的影響。基于該研究,本文對石英燈管輻射性能進行研究,分析燈陣高度、燈管間距、燈管數量、燈管長度對試驗件表面溫度分布以及溫度均勻性的影響。

1 燈陣空間排布對溫度分布影響

應用有限元分析軟件ANSYS Workbench 進行燈管輻射傳熱分析,建立燈陣與平板的輻射傳熱有限元分析模型,如圖1 所示,平板尺寸為200mm×400mm×5mm,材料為45 號鋼,表面發射率為0.75,石英燈管定義為剛體,半徑6mm,長度為400mm,沿Y 方向排布,燈管管壁發射率為0.85,燈管表面施加如圖2 所示溫度載荷,進行有限元傳熱分析,研究燈管長度、燈陣高度、燈管間距、燈管數量對結構件表面溫度分布的影響。同時引入參數δ,即溫度不均勻度,0 ≤ δ≤1,用以表征結構件表面溫度分布情況。Tmax為結構件表面溫度最大值；Tmin為結構件表面溫度最小值；δ 的值越小,表明試驗件表面的溫度均勻性越好。

圖1 燈管輻射傳熱模型

圖2 燈管溫度載荷

1.1 燈陣高度

選取初始定義的有限元模型,定義石英燈管數量N=9,均勻分布于平板結構件表面正上方,定義燈管間距D=20mm,燈陣距結構件表面高度分別取H=30mm、50mm、70mm、90mm、110mm,進行有限元傳熱分析。圖3、4 分別表示不同燈陣高度下,燈管垂向(X 方向)和燈管軸向(Y 方向)的溫度分布情況。

圖3 X 方向溫度分布曲線

圖4 Y 方向溫度分布曲線

分析X、Y 方向溫度分布情況,結構件中心位置溫度最高,由中心向四周溫度逐漸降低,即溫度的邊緣效應。隨著燈陣高度H 的增大,結構表面溫度整體下降,當燈陣高度由30mm 增加至110mm 時,溫度下降35%,加熱效應降低。將各方向溫度進行歸一化處理如圖5、6 所示,兩曲線圖中心區域有一段較為平緩,稱為“均勻區”,隨著燈陣高度H 的增大,“均勻區”逐漸減少、直至消失。當燈陣高度由30mm 增加至110mm 時,溫度不均勻度由11%增加至26.9%。

圖5 X 方向溫度歸一化曲線

圖6 Y 方向溫度歸一化曲線

經以上分析研究,在設計熱輻射裝置時應盡量減少石英燈陣距結構件表面的距離,保證燈管輻射加熱的高效性和表面溫度的均勻性。

1.2 燈管間距

選取初始定義的有限元模型,燈管數量取N=9,燈陣高度取H=30mm,對燈管間距進行重新定義,燈管間距分別取D=20mm、25mm、40mm、50mm、100mm,其他參數保持不變,進行有限元傳熱分析。圖7、8 分別表示不同燈管間距下,燈管垂向(X 方向)和燈管軸向(Y 方向)的溫度分布情況。

圖7 X 方向溫度分布曲線

圖8 Y 方向溫度分布曲線

分析X、Y 方向溫度分布情況,依舊表現為結構件中心位置溫度最高,由中心向四周溫度逐漸降低。隨著燈管間距D的不斷增大,結構件表面溫度整體下降,當間距D≤50mm時,X 方向溫度分布相對均勻,當間距D=100mm 時,X 方向溫度分布曲線呈波浪式,即沿著燈管垂向結構件表面溫度出現嚴重的不均勻性,Y 方向溫度分布隨燈管間距的增大幾乎沒有變化。將各方向溫度進行歸一化處理如圖9、10 所示,X方向溫度分布的“波蕩性”被放大,當間距D＜50mm 時,溫度呈平穩趨勢,當間距D=50mm 時,溫度出現波蕩,但效應不大,間距D=100mm 時,溫度的“波蕩性”很大,經分析,造成的原因是燈管自身輻射是由中間向四周輻射,燈管正下方區域距離燈管壁最近,輻射角最大,輻射量最大,溫度偏高,而側下方區域隨著輻射角增大,輻射量減小,溫度降低,當多根燈管近距離排布時,每根燈管對側下方區域的輻射產生疊加效應,溫度相對均勻,然而隨著燈管間距的不斷增大,燈管側輻射疊加效應很弱,造成燈管正下方和側下方產生較大溫差,從而出現波浪式曲線。觀察Y 方向溫度分布及歸一化曲線,曲線中間區域的“均勻區”幾乎沒有隨燈管間距發生變化,燈管間距對其軸向的溫度分布影響較小。當燈管間距由20mm增加至100mm 時,溫度不均勻度由12%上升至21.9%。經以上分析研究,在設計熱輻射裝置時需保證燈管間距小于50mm,保證燈管輻射加熱的高效性和表面溫度的均勻性,避免溫度產生波蕩。

圖9 X 方向溫度歸一化曲線

圖10 Y 方向溫度歸一化曲線

1.3 燈管數量

選取初始定義的有限元模型,燈陣高度取H=30mm,燈管間距取D=25mm,對燈管數量進行重新定義,燈管數量分別取N=3、5、7、9, 由中間向兩邊依次遞增,其他參數保持不變,進行有限元傳熱分析。圖11、12 分別表示不同燈管數量下,燈管垂向(X 方向)和燈管軸向(Y 方向)的溫度分布情況。

圖11 X 方向溫度分布曲線

圖12 Y 方向溫度分布曲線

分析X、Y 方向溫度分布情況,當燈管數量較少時,結構件表面溫度整體偏低,隨著燈管數量增多,結構件表面溫度整體上升,而該上升趨勢隨之放緩,造成的原因是原本少量燈管輻射的區域被增加的燈管側方再次輻射,產生輻射疊加效應,從而該區域溫度升高,然而該疊加效應隨著燈管不斷增多,新增燈管原理該區域,輻射角越來越小,側方輻射熱量降低,整體疊加輻射趨于飽和,溫度上升趨勢放緩。將各方向溫度進行歸一化處理如圖13、14 所示,分析X 方向曲線,當僅有3 個燈管時,沿燈管垂向溫度邊緣效應十分顯著,溫度梯度較大,中間溫度與兩邊溫差較大,分布不均勻,隨著燈管數量增多,溫度分布趨于均勻,產生原因是燈管數量較少時,且位于中間,輻射區主要集中在燈管正下方位置,該區域溫度較高,而側方區域,隨著位置邊移,輻射角減小,輻射量降低,溫度降低,即邊緣效應,分析Y 方向曲線,各曲線幾乎重合,中間的“均勻區”沒有發生變化,燈管數量對燈管軸向溫度分布影響很小。當燈管數量由3 根增加至9 根時,溫度不均勻度由54.8%下降至12.2%。

圖13 X 方向溫度歸一化曲線

圖14 Y 方向溫度歸一化曲線

經以上分析研究,在設計熱輻射裝置時燈管并排跨度必須超過結構件表面寬度,燈陣必須覆蓋并超出表面外沿,從而保證使燈管輻射加熱達到飽和狀態,同時保證表面溫度的均勻性。

1.4 燈管長度

分別研究燈陣高度、燈管間距、燈管數量分析模型下Y方向溫度分布曲線及歸一化曲線,所有曲線有個共同特性,中間階段都具有平緩的“均勻區”,而該區域都保持在中心距-100mm～100mm 范圍內,兩端各有100mm 的區域溫度分布不均勻,越往端部溫度越低,造成的原因是燈管端部側方輻射的疊加效應不足。

經以上分析研究,在設計熱輻射裝置時,考慮燈管熱輻射必須保證結構件表面整個區域溫度分布均勻,因此需要避免如上的端部效應,燈管兩端必須超出結構件表面邊緣100mm,才能保證溫度的均勻性。

2 結論

石英燈管輻射研究,燈陣高度越低,熱效率越高,溫度分布均勻性越好；燈管間距越小,溫度分布均勻性越好,當間距大于50mm 時,溫度分布會出現波蕩性；燈管數量決定輻射面大小,燈陣排列跨度需覆蓋整個受熱面,才能保證橫向溫度均勻性；燈管長度也決定輻射面大小,燈管兩端需超過試驗件邊緣100mm,能保證縱向溫度均勻性。