Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы тепловых испытаний в стендах с газоразрядными источниками излучения и постановка задачи исследования 12
1.1. Характеристики газоразрядных источников излучения и свойства кварцевых стекол 12
1.1.1. Характеристики газоразрядных источников излучения и область их применения 12
1.1.2. Свойства кварцевых стекол 20
1.2. Установки для тепловых испытаний с использованием газоразрядных источников излучения 25
1.2.1. Схемы нагревательных блоков и установок с трубчатыми газоразрядными источниками излучения 25
1.3. Методы расчета радиационного и радиационно-кондуктивного теплообмена в замкнутой системе с газоразрядными источниками излучения 35
1.3.1. Зональный метод расчета радиационного теплообмена 35
1.3.2. Обобщенный зональный метод расчета радиационного теплообмена ^
1.3.3. Метод расчета радиационного теплообмена, предложенный Г.Л. Поляком (метод сальдо) 40
1.3.4. Основные особенности расчета радиационного теплообмена методом Монте-Карло 41
1.3.5. Метод расчета сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена 43
1.4. Роль формы отражателя и прозрачности источника в формировании потока излучения на поверхности объекта испытания 45
1.5. Постановка задачи исследования 52
Выводы по главе 1 56
Глава 2. Теория расчета радиационно-кондуктивного теплообмена в системе со спектрально-селективными свойствами 57
2.1. Особенности радиационного теплообмена в рабочем участке стенда с газоразрядными источниками излучения и его математическая модель 57
2.2. Математическая модель, метод и алгоритм решения сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда с ГИИ 63
2.3. Физическая модель водоохлаждаемого газоразрядного источника излучения и его коэффициент полезного действия 88
Выводы по главе 2 ". 101
Глава 3. Выбор параметров нагревательного блока, анализ теплового режима объекта испытаний и алгоритм его моделирования ; 102
3.1. Выбор формы рефлектора для нагревателя с газоразрядными источниками излучения 102
3.2. Анализ влияния спектральных характеристик излучения на температурное состояние объекта испытания 113
3.3. Выравнивание неравномерности температурного поля образца по его ширине, вызванной особенностями конструктивной схемы рабочего участка 122
3.4. Алгоритм моделирования теплового режима объекта испытания 132
Выводы по главе 3 142
Глава 4. Тепловой режим оболочек водоохлаждаемого ГИИ и экспериментальная проверка основных результатов исследования 143
4.1. Тепловой режим водоохлаждаемых оболочек газоразрядного источника излучения 143
4.2. Описание экспериментальной установки 152
4.3. Экспериментальная проверка основных результатов и допущений расчета теплообмена в рабочем участке стенда 156
Выводы по главе 4 168
Основные выводы и результаты 169
Список литературы
- Характеристики газоразрядных источников излучения и область их применения
- Математическая модель, метод и алгоритм решения сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда с ГИИ
- Выравнивание неравномерности температурного поля образца по его ширине, вызванной особенностями конструктивной схемы рабочего участка
- Экспериментальная проверка основных результатов и допущений расчета теплообмена в рабочем участке стенда
Введение к работе
Начало 70-х годов минувшего столетия отмечено созданием и практическим использованием космических аппаратов нового поколения - многоразовых пилотируемых и автоматических кораблей. Их появление было тесно связано с интенсивными исследованиями в области химии, материаловедения, теоретических основ теплообмена, технологии и многих других наук.
Одной из самых серьезных проблем при этом оказалось проблема создания надежной тепловой защиты несущей конструкции аппарата. В результате выполненных исследований были разработаны новые конструкционные материалы, способные многократно выдерживать высокие тепловые нагрузки, сохраняя при этом свою целостность и работоспособность. Примечательно, что некоторые из них, например, такие как ТЗМК-10, успешно использованные в тепловой защите кораблей Шаттл и Буран, нашли применение в народном хозяйстве. ТЗМК применяется в производстве эффективных лабораторных печей сопротивления, в которых, благодаря его свойствам, за короткий промежуток времени удается достигать температуры 1250 С. Такие печи нашли применение при термической обработке металлов, проведении химических исследований, в художественных промыслах для обжига фарфора, нанесения покрытий и пр.
С появлением новых высокотемпературных материалов и теплозащитных конструкций на их основе обострилась проблема определения их свойств, возможностей и области применения. Многие вопросы указанной проблемы решались и решаются в процессе тепловых испытаний образцов в стендах радиационного нагрева и использованием галогенных ламп и концентраторов солнечной энергии.
Стенды радиационного нагрева представляют собой наиболее экономичный тип установок, обеспечивающих тепловые испытания конструктивных и теплозащитных элементов в диапазоне температур до 1600 С.
Более высокий уровень нагрева материалов и элементов конструкций достаточно больших размеров удается реализовать в стендах с мощными водо-охлаждаемыми газоразрядными источниками излучения (ГИИ).
Актуальность настоящей работы связана с проблемой совершенствования технических средств, методов подготовки и проведения испытаний конструкций летательных аппаратов (ЛА) в стендах радиационного нагрева с использованием ГИИ.
Процесс теплообмена в рабочем участке стенда с ГИИ характеризуется, по крайней мере, двумя особенностями, отличающими его от теплообмена в рабочем участке стенда с галогенными лампами накаливания (ГЛН): отличием спектра излучения ГИИ от спектра излучения нагреваемого объекта и второе -заметное дискретное расположение источников над нагреваемой поверхностью. Кроме того ГИИ имеют существенно больший диаметр поперечного сечения (в два раза) по сравнению с ГЛН, что приводит к необходимости тщательно анализировать вопросы затенения ими излучения, поступающего от рефлектора на поверхность объекта испытания.
Возможность создания с помощью ГИИ тепловых потоков большой плотности делает актуальным также вопрос обеспечения требуемого теплового режима самих ГИИ. Правильно выбранный режим охлаждения ГИИ не только обеспечивает требуемое температурное состояние его оболочек, но во многом определяет допустимое значение мощности и ресурс работы ГИИ.
Важнейшей задачей, решаемой на этапе подготовки тепловых испытаний конструкции ЛА, является задача о выборе режима работы источников излучения, их пространственном расположения, концентрации излучения, которые в совокупности обеспечивают заданное температурное состояние объекта испытания. В соответствующем расчете одним из основных определяющих параметров становится коэффициент полезного действия источника излучения. Знание этого коэффициента, определению которого посвящен один из разделов диссертации, служит исходной информацией для расчета потока излучения, па-
7 дающего на поверхность объекта испытания и определения режима охлаждения
оболочек ГИИ.
Цель Работы. Основной целью диссертационной работы является повышение надежности и достоверности моделирования тепловых режимов ЛА за счет создания более точных методов и эффективных алгоритмов расчета теплообмена в рабочих участках стендов радиационного нагрева с водоохлаждаемы-ми газоразрядными источниками излучения.
Исходя из сформулированной выше цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи.
Анализ состояния проблемы тепловых испытаний материалов и элементов конструкций в стендах радиационного нагрева с источниками излучения различного спектра.
Создание алгоритма определения спектральных плотностей потоков излучения и их отдельных составляющих в рабочем участке стенда.
Разработка математической модели сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда.
Разработка модели прозрачности водоохлаждаемого газоразрядного источника излучения для собственного и внешнего излучений.
Определение коэффициента полезного действия источника излучения.
Создание программы расчета радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда.
Оценка эффективности рефлектора и выбор его формы.
Разработка алгоритма моделирования теплового режима элемента конструкции летательного аппарата.
Разработка метода расчета теплового режима частично прозрачных оболочек источника излучения и определения его предельно допустимой мощности.
10. Экспериментальная проверка метода расчета теплообмена в рабочем
участке стенда.
8 Объектом настоящего исследования является рабочий участок стенда с
расположенным в нем образцом материала или элементом конструкции ЛА (объект испытания). Рабочий участок стенда представляет собой устройство, состоящее из нагревательного блока с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения и, в общем случае, ограждающих поверхностей, в котором размещают объект испытания.
Термин «образец материала» используется здесь в достаточно широком смысле, поскольку при одинаковости, например, структуры материала пластины, технологии ее изготовления, примененных в ней исходных материалов и сделанной из нее конструкции нет заметного различия в испытаниях «образца материала» и «элемента конструкции» изделия. Это полностью справедливо, по крайней мере, на этапе исследовательских испытаний, основной целью которых является отработка материалов теплозащиты и горячих конструкций, проверка их совместимости между собой, определение основных физико-маханических характеристик во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок и проверка их соответствия требованиям технического задания. На этапе исследовательских испытаний проходят аттестацию все материалы, которые планируют использовать в конструкции ЛА.
Предметом исследования является модель теплообмена в рабочем участке стенда, составляющая основу алгоритма моделирования теплового режима натурного объекта испытания. Под тепловым режимом понимается совокупность моделируемых процессов теплообмена, которые формируют заданное температурное состояние натурного объекта.
В качестве основного класса ЛА, на который ориентированы результаты исследования, рассматриваются многоразовые аэрокосмические аппараты, выполняемые из функционально неразрущаемых конструкционных материалов.
Методы исследования. В процессе исследования использованы: зональный метод решения задач радиационного теплообмена, метод элементарных
балансов, метод конечных элементов и аналитические методы определения
температурного состояния объекта испытания.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается рас-четно-теоретическим и экспериментальным обоснованием допущений, принимаемых при разработке физической и математической моделей расчета теплообмена а рабочем участке стенда, сопоставлением результатов вычислений с данными эксперимента и исследованиями, полученными ранее другими авторами.
Научная новизна. В диссертации:
1. Разработано методическое и алгоритмическое обеспечение расчетов тепло
обмена в рабочем участке стенда радиационного нагрева с водоохлаждаемыми
газоразрядными источниками излучения, включающее в себя:
физическую модель источника излучения, на основе которой определяются его собственное и поглощаемое им внешнее излучения (эффект затенения);
алгоритм расчета спектральных и интегральных плотностей потоков излучения и их отдельных составляющих на поверхности объектов испытания;
математическую модель сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда;
алгоритм моделирования теплового режима объекта испытания;
совокупность программ расчета теплообмена в рабочем участке стенда с водоохлаждаемыми ГИИ, адаптированных к решению задач тепловых испытаний.
Предложен критерий оценки эффективности рефлекторов различной формы.
Выполнен анализ метода расчета теплового режима частично прозрачных оболочек источника излучения и оценка его предельно-допустимой мощности.
Практическая значимость диссертации заключается в разработке методического и алгоритмического обеспечения расчетов теплообмена в рабочем участке стенда с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения, позволяющего моделировать тепловой режим объекта на этапах исследовательских и автономных испытаний.
Разработан метод определения предельной мощности источника излучения, исходя из ограничений на допустимую температуру поверхности его частично прозрачной оболочки, граничащей с плазменным разрядом.
Предложенный в работе критерий оценки эффективности рефлекторов обеспечивает выбор его формы в соответствии и требованиями задачи испытаний.
Результаты выполненных в диссертации исследований используются в учебном процессе кафедры «Космические аппараты и ракеты-носители (СМ-1) МГТУ им. Н.Э. Баумана и в исследовательской работе Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
Методическое и алгоритмическое обеспечение расчетов теплообмена в рабочем участке стенда радиационного нагрева с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения, позволяющее не этапах исследовательских и автономных испытаний моделировать тепловые режимы натурных объектов.
Результаты исследования влияния спектральных характеристик излучения на температурное поле объекта испытания.
Результаты исследования способов выравнивания неравномерности температурного поля объекта испытания, связанной с дискретным расположением ГИИ и ограниченными размерами нагревательного блока.
Метод определения предельной мощности водоохлаждаемого газоразрядного источника излучения по температурному состоянию его оболочки из частично прозрачного материала.
Критерий оценки эффективности рефлекторов различной формы. Апробация работы. Результаты диссертационной работы сообщались на - Международной научной конференции, посвященной 90-летию В.И.
Феодосьева «Ракетно-космическая техника. Фундаментальные и прикладные проблемы механики» (Москва, 2006 г.),
- VII Международной научно-практической конференции «Молодые уче
ные - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образова
нию: проблемы и новые решения» (Москва, 2007 г.),
- XXXI Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2007 г.),
Материалы диссертации рассматривались на научных семинарах кафедры
СМ-1 факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 3 научных статьях, изданных в реферируемых журналах, а также в материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 183 страниц, в том числе 150 страниц текста, 121 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 93 наименования.
Характеристики газоразрядных источников излучения и область их применения
Преимущества газоразрядных источников излучения (ГИИ) особенно заметно проявляются при теплофизических исследованиях и в технологических процессах, когда возникает необходимость в создании высокой плотности потоков тепла на поверхностях больших размеров или поверхностях сложной пространственной формы [1-5]. Как правило, для этих целей наиболее часто используют источники непрерывного излучения типа ДТП 10/200, ДКс ТВ-6000 и импульсного излучения ИНП 16/120, ИНП 16/250. Ряд других источников, созданных, в основном, для накачки лазеров и осветительных проборов - ДНП 16/90, ИЫП-5/75, ИФП-800, ИФП-2000 и т.п., обладают худшими характеристиками и менее пригодны для тепловых испытаний материалов и элементов конструкций.
Конструкция наиболее распространенного ГИИ трубчатой формы представляет собой цилиндрическую трубку из кварцевого стекла со впаянными в нее с двух сторон электродами из легированного вольфрама, заполненную инертным плазмообразующим газом. Оболочки мощных ГИИ не могут работать без принудительного охлаждения. В связи с этим оболочки мощных ГИИ помещают внутрь другой кварцевой оболочки и в зазоре между ними (2 .. 3 мм) организуют проток хладагента. В таблице 1 приведены основные характеристики наиболее часто используемых в тепловых испытаниях ГИИ.
Спектр излучения ГИИ качественно отличен от спектра других источников излучения и в определяющей степени зависит от состава плазмообразую-щего газа и давления в разрядной колбе. У рассматриваемых ГИИ с колбами из кварцевого стекла основная доля излучения сконцентрирована в ближней УФ-, видимой и ближней ИК- областях в диапазоне длин волн Л 0.35...2.5 мкм. Для обеспечения температурного режима источников непрерывного излучения используется водяное охлаждение, приводящее к поглощению УФ- компоненты в полосах поглощения воды в РЖ- области спектра.
Ресурс работы ГИИ в значительной мере зависит от режима их работы, уменьшаясь с увеличением питающего напряжения (мощности источника). Показано, что для источника ДТП 20/200 с толщиной стенки трубки 0,9 ... 1,0 мм в диапазоне 250 U 360В ресурсная характеристика с коэффициентом корреляции 0,99 имеет вид
В квазинепрерывном режиме работы ресурс ГИИ исследовали в условиях естественного воздушного охлаждения при питании постоянным и переменным током. Характеристики ГИИ ДТП 10/200 при питании переменным током с продолжительностью импульса от 0,2 до 0,5 с, приведенные на рис. 1.6, свидетельствуют о возможности существенного их форсирования по мощности и получения потоков излучения до 0,8.104 кВт/м2, но с ограниченным ресурсом в 1-3 импульса.
Рис. 1.6. Графики зависимости рабочего тока, мощности и плотности потока излучения источника ДТП 10/200 от напряжения: 1 и 2 - непрерывный и квазинепрерывный режимы работы
Результаты исследования показывают, что при длительности импульса — 1с при использовании ГИИ ИНП 16/120 удается получить плотность потока излучения 104 кВт/м2. Показано также, что основным параметром, определяющим ресурс источника излучения при однократном включении, является величина срабатываемой (пропущенной через источник) энергии, составляющей 80 ...100 кДж.
Важную роль при работе источников излучения в импульсном режиме играют их динамические характеристики. Для импульсов длительностью более 0,5 с ГИИ типа ДТП 10/200, ИНП 16/120 можно рассматривать как безинерци 17 онные. Если же их питание осуществляется переменным током, то поток излучения имеет вид гармонической функции с нарастающей до стационарного значения амплитудой за 2 ...5 полупериодов. Это обстоятельство необходимо принимать во внимание при генерации импульсов длительностью -0,1 с.
Лучшие свойства имеют источники излучения ИНП 16/120 и ИНП 16/250 со следующими вольт-амперными характеристиками: Тип ГИИ Вольт-амперная характеристика I(U), А Режим питания U, В -2т т2 ИНП 16/120 100-300 ИНП 16/250 130-430 ИНП 16/120 150-300 ИНП 16/250 150-400 I = .404 + 5, 69 U - 0, 262 10"2U2 I = -103 + 0, 929 U + 0, 194 10_2U I = -90, 1 +2, 44 U + 0, 875-102 I = 8, 98 - 0, 105 U + 0, 513 -10"2U2 Постоянный ток Постоянный ток Переменный ток Переменный ток
Выражения для мощности этих источников и плотности потоков излучения от питающего напряжения представлены формулами: Тип ГИИ Мощностная характеристика Р(и), кВт Режим питания U,B
Постоянный ток Постоянный ток Переменный ток Переменный ток 5 Тип ГИИ Плотность потока излучения qoOO, кВт/м Режим питания U,B ИНП 16/120 ИНП 16/250 ИНП 16/120 ИНП 16/250 q0= 1440+ 3,35 U+0,125 U2 q0= 796-12,1 U+ 0,053 U2 q0 = 6760+54 U+ 0,016 U2 q0 = 2590-29,5 U+ 0,097 U2
Постоянный ток Постоянный ток Переменный ток Переменный ток Соответствующие графические зависимости приведены на рис. 1.7.
Зависимости рабочего тока а) и плотности потока излучения б) источников ИНП 16/120 (1, 3) и ИНП 16/250 (2, 4) от напряжения при работе на постоянном (1, 2) и переменном (3, 4) токе
В расчетах тепловых режимов конструкций и других объектов тепловых испытаний на стендах радиационного нагрева с ГИИ важное значение имеют сведения о коэффициенте полезного действия источников. На рис. 1.8 представлена зависимость КПД ГИИ от плотности тока в плазменном разряде газа-наполнителя [7].
Математическая модель, метод и алгоритм решения сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда с ГИИ
Для расчета радиационного теплообмена используется зональный метод, в соответствии с которым все поверхности в системах а или б (рис. 2.1) представлены совокупностью элементарных площадок, между которыми происходит теплообмен излучением через диатермичную среду. Учитывается наличие цилиндрических поверхностей ГИИ на пути излучения между отдельными участками поверхностей системы. Правомерность допущения о прозрачности или непрозрачности ГИИ для падающего на них излучения рассматривается в 2.3.
Математическая модель, позволяющая на каждом временном шаге определить потоки излучения, падающие на поверхность нагреваемого плоского образца материала, представляет собой систему уравнений для определения спектральных потоков излучения, падающих на все выделенные площадки замкнутой геометрической системы поверхностей а или б ег(л)=Іе;ф(л) ,+ f; G (A)% У=1 =ЛГ,+1 N, N, + І 0Ґ,и(ЛМ, + І [і-А(Л)].2Г(Л).а,, (2.1) и спектрального потока результирующего излучения і-ой площадки Qr(A) = qr(A).Fi=Ai(A).Qr(A)-cl(A).Q (A). (2.2) где Qj6 0 (Л) - спектральный поток собственного излучения j-ой площадки площадью Fj нагреваемого объекта, характеризуемый функцией Планка В)(Л,ТП) ef-0(A) = 0(A).Fy = ОД . (2.3) е -1 V У Л5 чсоб.и б/Г (А)- спектральный поток собственного излучения участка поверхности FK, расположенного на источнике излучения ac6 4A) = 6 H(A).Fk; (2.4) об и(Л)- спектральная плотность потока собственного излучения поверхности источника; cpj;i и cpkji . диффузные угловые коэффициенты, определяемые с учетом возможного затенения одних площадок другими.
Интегральные потоки падающего и результирующего излучений определяются по формулам где т - число полос в спектре излучения Найденные из решения системы уравнений (2.1)-(2.6) потоки падающего (или результирующего) излучений используются далее в итерационной процедуре в качестве одного из граничных условий при расчете нестационарного температурного поля плоского многослойного образца материала. Соответствующая математическая модель определения его температурного состояния, в основе которой лежит метод конечных элементов, изложена в 2.2.
В начальный момент времени температуры всех поверхностей рассматриваемой системы считаются заданными, и со временем изменяется только температура поверхности нагреваемого образца; температура водоохлаждаемых экранов считается постоянной.
Принципиальная особенность системы уравнений (2.1)-(2.6) состоит в том, что неизвестные в ней потоки падающего излучения включают в себя одновременно совокупность прямого б/""1,1 (Л) и отраженного Q""2(A) излучений газоразрядных источников, а также собственного излучения нагреваемой поверхности )пад 3(Л), отраженного от других поверхностей. При этом спектры ГИИ и собственного излучения поверхности образца различны.
Спектр излучения ГИИ весьма незначительно «деформируется» при изменении режима нагрева образца (управляемый нагрев) или остается неизменным, если режим работы источников (их мощность) во времени не изменяется. Изменение спектра трубчатых ГИИ с ксеноновым наполнением при увеличении их мощности в диапазоне длин волн от ЗООнм да 700нм имеет эквидистантный характер, а небольшое "пиковое" возрастание спектральной интенсивности излучения наблюдается в полосах 800-850нм и 850-950нм (см. 1.1). Спектр собственного излучения нагреваемой поверхности зависит от ее температуры и изменяется по мере нагревания образца. В результате указанной выше итерационной процедуры расчета определяются лишь суммарные потоки падающего излучения ох (Л)=ЄГ 1 (д)+6Г 2(Л) + 6Г,3(Л) (2-7)
Вместе с тем в ряде случаев, например, при проектировании излучателя (выбор формы экрана, выбор пространственного расположения источников, рас 62 стояния между ними и пр.) представляет интерес знание отдельных составляющих баланса суммарного падающего потока. Эти же сведения необходимы для уточнения математической модели решения задачи радиационно-кондуктивного теплообмена (РКТ) на основе интегральных характеристик излучения. Процедура определения указанных составляющих рассмотрена в 2.2. 2.2. Математическая модель, метод и алгоритм решения сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда с ГИИ
Изложенная в 2.1 процедура определения потоков излучения, падающих на і-ую площадку в замкнутой системе поверхностей при заданных значениях их температур и оптических характеристик позволяет найти эти потоки для выбранной полосы спектра.
Суммарные потоки падающего и результирующего излучений для всех полос спектра вычисляются по формулам (2.5) и (2.6): 2Гд = Е 2Гд(лт)ллт! »1=1 т ЄГ=ХЄГ(л,„)ллт, где m - число полос в спектре излучения.
Найденные потоки результирующего излучения используются далее в итерационном процессе в качестве одного из граничных условий при расчете нестационарного двухмерного температурного поля плоского многослойного образца материала.
Математическая модель. Рассматривается протяженная в направлении координаты Z (рис.2.2) пластина, верхний (фронтальный) слой которой выполнен из одного материала, а нижний (подложка) - может быть представлен одним из материалов с сильно отличающимися теплофизическими свойствами (ТФС).
Контакт между слоями считается идеальным, а ТФС материалов могут зависеть от температуры. Фронтальная поверхность пластины, поглощательная и из-лучательная способности которой являются функциями длины волны (Л), а также функциями температуры и координаты Y, нагревается потоком падающего излучения плотностью япад(Л,у).
Выравнивание неравномерности температурного поля образца по его ширине, вызванной особенностями конструктивной схемы рабочего участка
Существуют две основные причины, объясняющие неравномерность распределения температуры образца по его ширине в рабочем участке с ГИИ. Первая из них заключается в том, что часть лучистой энергии уходит через открытые зоны рабочего участка. Вторая - дискретный характер расположения ГИИ в нагревательном блоке. Первая причина приводит к заметному уменьшению потока подающего излучения и температуры образца в его периферийной области.
Актуальность проблемы выравнивания температурного поля на поверхности объекта испытания связана с тем, что любые меры, способы и приемы, обеспечивающие увеличение ширины рабочей зоны /, позволяют соответственно увеличивать и размеры образцов испытываемых материалов и элементов конструкций.
При использовании галогенных ламп накаливания этом недостаток может быть устранен за счет выбора нагревательного блока, ширина которого вдвое больше расстояния от его рефлектора до поверхности нагреваемого объекта [21]. В установках с ГИИ практическая реализация этого способа представляется значительно более сложной. Возможным в этом случае приемом выравнивания потока падающего излучения является управление мощностью отдельных источников. Обстоятельством, затрудняющим здесь достижение необходимого результата служит дискретное расположение ГИИ в пространстве. Роль этого фактора возрастает с приближением ГИИ к поверхности нагрева.
Выше (см. 3.1) показано, что большое значение в решении этого вопроса имеет также обоснованный выбор формы рефлектора.
Недостатком большинства рассмотренных способов выравнивания закона распределения потока падающего излучения является необходимость внесения изменений в конструкцию нагревательного блока.
Анализ процесса формирования температурного поля нагреваемого объекта показывает, что основой различных способов выравнивания температуры на его поверхности, при прочих равных условиях, может служить сглаживание распределения плотности результирующего излучения.
В качестве одного из эффективных способов выравнивания температурного поля, не требующих изменения конструкции нагревательного блока, может служить целенаправленное изменение оптических характеристик нагреваемой поверхности. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
Запишем выражение для плотности результирующего потока излучения на поверхности, оптические свойства которой соответствуют свойствам «серого» тела д (у,т) = А(у) q(y,T)-e(y)qco6(y,T), (3.3) где 2{у) = (у); у - координата вдоль ширины поверхности.
Для неизменной во времени плотности потока падающего излучения выбор соответствующей функции 1{у) обеспечивает равномерное распределение плотности поглощенного потока A(y)q(y) = qmr" = const. (3.4)
При умеренных значениях температуры поверхности второе слагаемое в правой части (3.3) не оказывает заметного влияния на величину qpM(y,T) и температура поверхности образца при соответствующем выборе функции А(у) может быть практически одинакова для любого значения у.
Характер изменения qnmi(y) определяется на основе расчета или эксперимента и может считаться известным. Из выражения (3.4) следует, что при заданном законе изменения q"aa(y) функция распределения поглощательной способности поверхности по координате у должна быть найдена из условия 124 A{y) = const (3.5)
В большинстве практически важных случаев зависимость дпал(у) может быть представлена либо в виде синусоидальной функции (первая причина неравномерности распределения падающего потока) либо в виде некоторой периодической функции координаты (вторая причина неравномерности - дискретное расположение ГИИ вблизи поверхности нагрева). Поскольку наибольшая неравномерность в распределении потока падающего излучения возникает из-за выхода части излучения через открытые части рабочего участка (первый вариант), рассмотрим более подробно вопросы выравнивания температурного поля для случая, в котором характер изменения потока падающего излучения представлен на рис. 3.19. Из приведенных на рис.3.21 результатов расчета видно, что второй вариант задания оптических характеристик обеспечивает более равномерное изменение температуры на нагреваемой поверхности. Практически такой же характер изменения температуры наблюдается и на тыльной стороне пластины в сходственные моменты времени, хотя имеется заметный перепад температур по толщине пластины, рис.3.22. При этом в начальный период нагрева (х=100с) температура поверхности практически постоянна во всех ее точках. Указанное изменение температуры объясняется возрастанием вклада собственного излучения поверхности в результирующий поток (рис.3.23). Увеличение температуры в центральной части пластины связано с более высоким значением в этой области потока результирующего излучения по сравнению с периферией. Наибольшее отличие температуры пластины от ее среднего значения через 700с после начала процесса нагрева в первом варианте расчета составило 15% и во втором 6,6%.
Интересно отметить следующую особенность изменения плотность результирующего потока по координате у в разные моменты времени (рис. 3.23). Видно, что его значение возрастает от края пластины и центру и с течением времени указанное различие в рассмотренном интервале времени (до 700с) возрастает. Это объясняется тем, что при неизменной плотности потока поглощенного излучения (первое слагаемое в правой части выражения (3.3)) темп возрастания плотности потока собственного излучения на краю и в центре пластины (второе слагаемое в (3.4)) различен. Темп изменения температуры (ее скорость) на краю больше, чем в центре, где {у) ниже. На рисунке 3.23 хорошо видна (сплошные линии) описанная картина.
Еще одним подтверждением указанного механизма формирования температурного поля служит рис.3.24, на котором показано изменение температуры поверхности у двух пластин из керамики во времени. Обе пластины толщиной 10мм каждая нагреваются постоянным потоком излучения плотностью 0,27.10 Вт/м . Поверхность одной пластины имеет покрытие с поглощательной способностью А равной ее излучательной способности БИ А = е- 0,15, а поверхность другой - А — с = 0,76. Об& пластины теплоизолированы с тыльной стороны, а с фронтальной -обмениваются теплом путем излучения и конвекции (а = 10 Вт/(м .К)) при температуре среды Тср = 293К. Видно, что темп нарастания температуры поверхности пластины сА = е = 0,76 существенно больше, чем у пластины сЛ=є = 0,15. Примерно на 30 секунде (рис.3.25) разность этих температур достигает максимума и в дальнейшем уменьшается до нуля.
Экспериментальная проверка основных результатов и допущений расчета теплообмена в рабочем участке стенда
Стенд оснащен системой контроля и управления, имеющей в своем составе приборы и датчики, измеряющие силу тока, напряжение питания ГИИ, давление воды и ее расход, а также световую и звуковую сигнализации. Система работает в автоматическом режиме и позволяет избежать случайную невнимательность оператора. Например, ГИИ не могут быть включены при отсутствии потока воды в их охлаждающем тракте.
Измерение и регистрация всех параметров в эксперименте осуществляются контрольно - измерительным комплексом. Для измерения температур в этом комплексом используются различные термопары и термометры сопротивления.
Запись сигналов от этих датчиков производится на автоматических потенциометрах или светолучевых осциллографах. Для измерения температур применяются также бесконтактные приборы: пирометры ЭОП-66 или ФЭП-4 и кинофо-топирометры.
Тепловые потоки измеряются датчиками тепловых потоков с регистрацией сигналов на потенциометрах или осциллографах.
В составе измерительного комплекса имеются датчики для измерения перемещений и деформаций, сигналы с которых предварительно усиливаются на тензостанции.
Все контролируемые параметры эксперимента могут регистрироваться информационно-измерительным комплексом.
В рассматриваемом стенде сила тока и напряжение питания ГИИ, необходимые для получения вольт-амперной характеристики, измеряют в отдельных точках с помощью образцовых амперметра и вольтметра, входящих в состав измерительного комплекса.
Одной из важнейших характеристик ГИИ, определяемых экспериментально, является энергетическая характеристика источника излучения (зависимость излучаемой им энергии от напряжения питания U или затраченной электрической мощности Р). При этом для ГИИ цилиндрической формы в качестве такой характеристики удобно использовать плотность потока излучения в центральной части внешней поверхности излучателя в функции U или Р.
Изменение плотности потока излучения, поступающего от нагревательного блока к нагреваемой поверхности измерялось датчиками потока экспоненциального типа, закрепленных на теплоизолированной стальной пластине. Датчики выполнены в виде медных дисков диаметром 10 мм и толщиной 1,5 мм с черной тепловоспринимающей поверхностью. На измерительной пластине датчики размещались с шагом 25 мм. Скорость изменения их температуры определялась по показаниям термопар (ХА-0,2), зачеканенных в тело датчика.
Представленные выше результаты исследования теплообмена в рабочем участке стенда радиационного нагрева с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения получены автором на основе разработанного в диссертации методического и алгоритмического обеспечения соответствующих расчетов.
Многочисленные результаты экспериментального изучения теплообмена в указанных стендах, выполненные ранее в МГТУ им. Н.Э. Баумана сотрудниками научной школы профессора Г.Б. Синярева, позволяют проверить наиболее важные положения и результаты настоящей работы: - метод расчета радиационного теплообмена в рабочем участке стенда на примерах расчета его в участках с шестью и тремя ГИИ; - выбор физической модели ГИИ на примерах ее использования для расчета радиационного теплообмена с затенением излучения и теплового режима оболочек ГИИ; - метод расчета радиационного теплообмена в рабочих участках с рефлекторами различной формы.
Результаты расчета сопоставлялись, в частности, с результатами экспериментов, полученных при использовании нагревательных блоков с шестью ГИИ с рефлекторами плоской, трапециевидной и эллиптической формы, рисунки 4.9 -4.23. Во всех вариантах расчета и эксперимента в качестве нагреваемого объекта служила стальная пластина толщиной 1,5 мм со следующими теплофизическими свойствами: плотность р = 7817 кг/м , теплопроводность X = 14 Вт/(м.К) и теплоемкость Ср = 460 Дж/(кг.К). Поглощательная и излучательная способности на нагреваемой поверхности пластины принимались равными А = є = 0,85 и на противоположной ее стороне - А = Е = 0,6. Пластина была оснащена датчиками для измерения теплового потока, падающего на ее поверхность (см. 4.2).
Отражательная способность экрана составляла 0,7, отражательная способность ГИИ при использовании прозрачной или частично прозрачной моделей принималась равной 0 и 0,04 для модели непрозрачного источника излучения. Учитывался теплообмен излучением и конвекцией на каждой из двух сторон пластины. Для учета конвективного теплообмена коэффициент теплоотдача выбирался равным 10 Вт/(м К) и температура среды, контактирующей с пластиной - Тс - 298 К.
