WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Мьо Тан

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО И АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ В СТЕНДАХ С ГАЗОРАЗРЯДНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.07.07 Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете  им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Елисеев В. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Падерин Л. Я.

доктор технических наук, профессор

Чугунков В. В.

Ведущая организация: Московский авиационный институт (государственный технический универси-

тет), г. Москва

Защита состоится «___»___________2008г. в_____часов на заседании

диссертационного совета ДС 212.008.01 при Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Автореферат разослан «___»__________2008г.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просьба направлять по адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, МГТУ им. Н. Э. Баумана, диссертационный совет ДС 212.008.01

Учёный секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Калугин В.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность настоящей работы связана с проблемой совершенствования технических средств, методов подготовки и проведения испытаний конструкций летательных аппаратов (ЛА) в стендах радиационного нагрева с использованием газоразрядных источников излучения (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): разными спектрами излучения ГИИ и 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 расположении, 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.

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 водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения.

Исходя из сформулированной выше цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи.

  1. Анализ состояния проблемы тепловых испытаний материалов и элементов конструкций в стендах радиационного нагрева с источниками излучения различного спектра.
  2. Создание алгоритма определения спектральных плотностей потоков излучения и их отдельных составляющих в рабочем участке стенда.
  3. Разработка математической модели сопряженной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда.
  4. Разработка модели прозрачности водоохлаждаемого газоразрядного источника излучения для собственного и внешнего излучений.
  5. Определение коэффициента полезного действия источника излучения.
  6. Создание программы расчета радиационно-кондуктивного теплообмена в рабочем участке стенда.
  7. Оценка эффективности рефлектора и выбор его формы.
  8. Разработка замкнутого метода расчета теплового режима частично прозрачных оболочек источника излучения и определения его предельно допустимой мощности.
  9. Разработка алгоритма моделирования теплового режима элемента конструкции летательного аппарата.
  10. Экспериментальная проверка метода расчета теплообмена в рабочем участке стенда.

Объектом настоящего исследования является рабочий участок стенда с расположенным в нем образцом материала или элементом конструкции (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. 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.

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 расчетно-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 теплообмена 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.

2. Предложен критерий оценки эффективности рефлекторов различной формы.

3. Предложен замкнутый метод расчета теплового режима частично прозрачных оболочек источника излучения и определения 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:

  1. Методическое и алгоритмическое обеспечение расчетов теплообмена в рабочем участке стенда радиационного нагрева с водоохлаждаемыми газоразрядными источниками излучения, позволяющее на этапах исследовательских и автономных испытаний моделировать тепловые режимы натурных объектов.
  2. Результаты исследования влияния спектральных характеристик излучения на температурное поле объекта испытания.
  3. Результаты исследования способа выравнивания неравномерности температурного поля объекта испытания, связанной с дискретным расположением ГИИ и ограниченными размерами нагревательного блока.
  4. Метод определения предельной мощности водоохлаждаемого газоразрядного источника излучения по температурному состоянию его оболочки из частично прозрачного материала.
  5. 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.), VІІ Международной научно-практической конференции «Молодые ученые – промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (Москва, 2007 г.), ХХХІ Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2007 г.). Материалы диссертации рассматривались на научных семинарах кафедры СМ-1 факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана и научном семинаре «Теплофизические проблемы в ракетно-космической технике».

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 181 страниц, в том числе 150 страниц текста, 121 рисунка и 9 таблиц. Список литературы содержит 93 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, выбраны методы исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, описаны структура и содержание работы.

В первой главе диссертации выполнен обзор исследований, связанных с проблемой тепловых испытаний в стендах с газоразрядными источниками излучения, отмечена перспективность и указана область использования этих источников в практике экспериментальной отработки элементов конструкций и исследовании свойств материалов, применяемых в ракетно-космической технике.

Вместе с тем показано, что:

- отсутствует методическое, алгоритмическое и программное обеспечение расчетов проектных параметров нагревательных блоков и теплообмена в рабочих участках стендов с учетом спектральных характеристик излучения ГИИ и объекта испытания, основанное на использовании возможностей современной вычислительной техники и результатов экспериментальных исследований, полученных в последние годы;

- не исследовано влияние спектра ГИИ и спектральных характеристик нагреваемой поверхности на температурное состояние объекта испытания;

- не в полной мере решен вопрос о влиянии формы рефлектора на характеристики потоков излучения в рабочей зоне объекта испытания. Отсутствуют удобные для практического использования критерии оценки эффективности рефлекторов различной формы;

- не изучен механизм выравнивания температурного поля объекта испытания, нагреваемого переменным по поверхности потоком излучения, за счет целенаправленного изменения оптических характеристик его поверхности;

- нет замкнутого метода расчета теплового режима самих источников излучения;

- отсутствует описание алгоритма моделирования теплового режима объекта испытания в стендах с ГИИ.

Приведена постановка задачи исследования.

Во второй главе описана математическая модель радиационно-кондуктивного теплообмена (РКТ) в рабочем участке стенда с ГИИ. Принципиальная особенность модели состоит в том, что в ней учитывается дискретное расположение источников излучения над нагреваемой поверхностью объекта испытания (ОИ) и неизвестные потоки падающего излучения включают в себя одновременно совокупность прямого и отраженного излучений газоразрядных источников, а также собственного излучении нагреваемой поверхности, отраженного от других поверхностей. При этом спектры ГИИ и собственного излучения поверхности ОИ различны, но в алгоритме решения радиационной задачи предусмотрена возможность раздельного определения вклада этих излучений в суммарный падающий поток.

Система уравнений для определения спектральных потоков излучения, падающих на выделенные площадки замкнутой геометрической системы поверхностей (рис. 1 а и б), решалась зональным методом. Размер площадок выбирался намного меньше расстояния между ними.

Найденные потоки падающего (или результирующего) излучений используются далее в итерационной процедуре в качестве одного из граничных условий при расчете нестационарного температурного поля многослойного ОИ (сопряженная задача РКТ). Для решения кондуктивной задачи использовался, как правило, метод конечных элементов (МКЭ), а в ряде случаев, при решении одномерных задач теплопроводности – метод элементарных балансов (МЭБ).

Вычислительные процедуры МКЭ реализованы в виде разработанного автором программного комплекса на языке Паскаль и процедуры МЭБ - на языке С.

Рис. 1. Схема рабочих участов: а) с тремя ГИИ ; б) с шестью ГИИ ; 1 - водоохлаждаемые ГИИ трубчатой формы; 2 - водоохлаждаемый экран; 3 - условные поверхности, замыкающие системы а или б с поглощательной способностью А= 1 и температурой Т = 0 С ; 4 - испытуемый образец материала; 5 - термопары; 6 - фронтальная (нагреваемая) поверхность; 7 - тыльная поверхность образца

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»