WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Приведена физическая модель водоохлаждаемого ГИИ и концепция двух его коэффициентов полезного действия (внутреннего и внешнего):

, (1)

где P – электрическая мощность ГИИ; Qи(P) – поток излучения, генерируемый плазмой на внутренней поверхности внутренней кварцевой оболочки ГИИ при расчете «внутреннего» КПД и Qи(P) – поток излучения на внешней поверхности внешней оболочки ГИИ при расчете «внешнего» КПД, рис. 2.

Рис. 2. Поперечное сечение водоохлаждаемого ГИИ и схема его взаимодействия с излучением: 1 – плазма; 2 и 4 – кварцевые оболочки; 3 - охлаждающая жидкость; 5 – поток исходящего излучения; 6 – поток падающего излучения

Рис. 3. Зависимость КПД источника ДТП 10/200 от электрической мощности ГИИ: 1 – внутренний КПД – расчеты В.М. Градова; 2 – внешний КПД, получен на основе эксперимента В.А. Товстонога

Рис. 4. Сравнение расчета распределения плотности потока падающего излучения с экспериментом для трех моделей источника излучения: 1 – полностью прозрачный ГИИ; 2 – частично прозрачный ГИИ; 3 – непрозрачный ГИИ

Зависимость указанных КПД источника ДТП 10/200 от электрической мощности представлена на рис. 3. Первый из них(внутренний) предназначен для расчета теплового режима ГИИ, а второй – для расчета радиационного теплообмена в рабочем участке стенда. Знание этих КПД позволяет для заданной электрической мощности ГИИ найти необходимые для дальнейших расчетов потоки излучения.

Излучение, вышедшее за пределы источника, может вновь падать на его поверхность после отражения от рефлектора и других поверхностей, образующих внутренний контур рабочего участка. В связи с этим возникает необходимость в выборе допущения о степени прозрачности водоохлаждаемого ГИИ для излучения, падающего на его внешнюю поверхность. Выполненное в диссертации сопоставление результатов расчета распределения потока падающего излучения по ширине нагреваемого образца с данными эксперимента показывает, что наиболее близкое согласование теории и эксперимента обеспечивает модель полностью прозрачного источника для падающего на него излучения, рис. 4.

Этот вывод служит обоснованием выбора указанной модели ГИИ для расчетов теплообмена в рабочем участке стенда.

Сформулировано граничное условие, достаточное для идентичности температурных полей, рассчитываемых с использованием спектральных или интегральных характеристик источника излучения и нагреваемой поверхности. Условие записано в виде баланса плотностей отдельных составляющих результирующего потока излучения на нагреваемой поверхности ОИ

, (2)

где

; (3)

(4)

В случае, когда спектр источника излучения изменяется в процессе его работы, например, при регулирования мощности, найденные из условия (2) интегральные поглощательные способности зависят от режима работы источника. Наиболее заметно этот эффект проявляется в установках с галогенными лампами накаливания, у которых при программированном нагреве ОИ спектр зависит от температуры нити накала.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния на характеристики потоков излучения в рабочей зоне ОИ рефлекторов различной формы и пространственного расположения ГИИ. Для удобства сопоставления результатов расчета с экспериментом в качестве ОИ использовалась стальная пластина толщиной 1,5 мм. Сравнительный анализ зависимости распределения потока излучения, падающего на поверхность пластины и температуры ее поверхности от формы рефлектора выполнен для трех форм отражателя: трапециевидный рефлектор с различным углом раскрытия створок (рефлектор 1), цилиндрической формы индивидуальный для каждого ГИИ (рефлектор 2) и эллиптический общий для трех ГИИ (рефлектор 3).

Анализ рассмотренных схем нагревательных блоков с рефлекторами различной формы показывает, что плотность потока излучения, падающего на поверхность испытуемого объекта, получается сложением плотностей потоков, падающих на нее непосредственно от ГИИ и от рефлектора. При заданном одинаковом пространственном расположении ГИИ первое слагаемое не зависит от формы выбранного рефлектора и представляет собой одну и туже функцию распределения по нагреваемой поверхности. Второе слагаемое суммарной плотности падающего потока определяет вклад рефлектора и зависит от его формы и ширины рабочей зоны l.

Предложен удобный для практического использования критерий оценки эффективности рефлекторов различной формы

, (5)

где – и - расчетные функции распределения плотности потоков излучения по ширине рабочей зоны l, падающих на нагреваемую поверхность от рефлектора и ГИИ соответственно.

Значения критериев эффективности, рассчитанные по формуле (5) приведены в таблице1.

Таблица 1

Тип экрана и его

номер

Ширина

рабочей зоны l

1

2

3

4

5

6

для l =50 мм

0,1592

0, 1592

0,2121

0,2866

0,3821

0,5684

для l =100 мм

0, 1592

0,1751

0,2121

0,2866

0,3926

0,5230

для l =150 мм

0, 1594

0,1822

0,2275

0,2961

0,3947

_

для l =200 мм

0,1750

0,2042

0,2645

0,3112

_

_

Рис.5. Спектры излучения близкие к спектрам следующих источников: 1 - инфракрасный источник; 2 - концентрированное излучение солнца; 3 – гипотетический источник монохроматического излучения с длиной волны 0,5 мкм

Рис.6. Изменение температуры на фронтальной и тыльной поверхностях теплоизолированной пластины из молибдена при нагреве ее источником инфракрасного излучения (кривые 1, 4), источником концентрированного солнечного излучения (2, 5), источником монохроматического излучения (3, 6) и изменение потока результирующего излучения : 7-источник инфракрасного излучения;8-источник концентрированного солнечного излучения; 9-источник монохроматического излучения

Выполнено исследование влияния спектра различных по своей природе источников излучения (рис. 5) и спектральных характеристик нагреваемой поверхности ОИ на его температурное состояние. В качестве объекта исследования рассматривалась пластина из полированного молибдена с тепловой изоляцией на тыльной стороне, либо с подложками из фетра, графита или меди (материалы с сильно различающейся теплопроводностью).

Динамика процесса нагрева ОИ с хорошо выраженными спектральными свойствами поверхности указанными выше источниками излучения определяется, в основном, тремя факторами: оптическими характеристиками материала, спектром падающего излучения и условиями теплообмена на граничных поверхностях. В случае, когда условия кондуктивно-конвективного теплообмена на внешних поверхностях ОИ сохраняются неизменными, его откликом на замену одних источников излучения на источники с другим спектром является изменение температурного состояния, которое полностью определяется двумя первыми факторами.

На рис.6 представлен пример расчета температуры фронтальной и тыльной поверхностей пластины из молибдена толщиной 2мм и изоляцией на тыльной стороне при нагревании ее одним из трех источников излучения различного спектра с одинаковой интегральной плотностью потока падающего излучения.

Видно, что замена одного источника на другой заметно влияет на динамику изменения температуры и ее величину. Отличие температур на поверхностях ОИ в установившемся режиме составляет от 12% до 30% в зависимости от типа используемого источника. В нестационарном режиме и для других условий теплообмена на тыльной поверхности это отличие оказывается еще более заметным. Время установления стационарного режима теплообмена пластины (ст) для разных источников излучения и материалов подложек изменяется в несколько раз.

Исследованы возможности выравнивания 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.

В качестве одного из эффективных способов выравнивания температурного поля, не требующих изменения конструкции нагревательного блока, может служить целенаправленное изменение оптических характеристик нагреваемой поверхности. Рассмотрен случай, в котором плотность потока падающего излучения изменяется в соответствии с законом

, (6)

где qmax принято равным 15 Вт/м2, и два варианта задания оптических характеристик на нагреваемой поверхности: и. Последний вариант может быть реализован разбиением поверхности на достаточно узкие полосы и нанесением на них покрытий с соответствующими оптическими свойствами.

Из приведенных на рис.7 результатов расчета видно, что второй вариант задания оптических характеристик обеспечивает более равномерное изменение температуры на нагреваемой поверхности. Указанное изменение температуры объясняется возрастанием вклада собственного излучения поверхности в результирующий поток. 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%.

Рис.7. Изменение температуры по фронтальной поверхности керамики для синусоидального распределения на ней потока падающего излучения: 100с – кривая 1, 200с - кривая 2, 400с - кривая 3 и 700с - кривая 4; пунктирные линии – расчет по варианту 1, сплошные – по варианту 2

Рассмотрений способ выравнивания температурного поля наиболее эффективен в интервале температур от 300К до 1000К при неизменных оптических свойствах поверхности в этом интервале.

На основе полученных в диссертации результатов исследования разработан алгоритм моделирования теплового режима ОИ, адаптированный к условиям исследовательских и автономных испытаний материалов и элементов функционально неразрушаемых конструкций ЛА в стендах с газоразрядными источниками излучения, рис. 8.

В четвертой главе дано описание предложенного автором замкнутого метода расчета теплового режима водоохлаждаемых газоразрядных источников излучения при заданных ограничениях на температуру «горячей» кварцевой оболочки (1200С) и отсутствие кипения воды в охлаждающем тракте. Замкнутость метода, в основе которого лежат известные аналитические зависимости для определения температурного состояния частично прозрачных оболочек ГИИ, получена за счет предложенного автором использования в расчете «внутреннего» коэффициента полезного действия и определения граничного условия на внутренней поверхности «горячей» оболочки ГИИ.

Приведены результаты экспериментальной проверки разработанных в диссертации основных методов расчета и выбранной физической модели водоохлаждаемого ГИИ.

* - параметры первого приближения

Рис. 8. Алгоритм моделирования теплового режима объекта испытания

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработано методическое и алгоритмическое обеспечение расчета теплообмена в рабочих участках стендов с газоразрядными источниками излучения, включающее:

- метод и алгоритм решения сопряженной и комбинированной задач радиационно-кондуктивного и конвективного теплообмена с учетом спектральных характеристик излучения ГИИ и объекта испытания, обеспечивающие вычисление суммарных потоков падающего и результирующего излучений, а также их отдельных составляющих;

- определение внутреннего и внешнего коэффициентов полезного действия ГИИ и граничных условий для расчета температурного состояния их оболочек.

2. Сформулировано условие идентичности температурных полей, рассчитываемых с использованием спектральных и интегральных характеристик ГИИ и нагреваемой поверхности (условие 2-4).

Pages:     | 1 || 3 |






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