一種錐形加熱裝置設計方法

王振亞，楊志斌

(航空工業(yè)飛機強度研究所四室，陜西 西安 710065)

1 引 言

傳統(tǒng)的加熱裝置設計是根據(jù)試驗件外形確定加熱裝置的形狀和結構尺寸，然后沿著加熱面的外形布置石英燈管，缺少對加熱裝置需用功率的計算步驟，這使設計完成的加熱裝置存在功率不足的風險。一旦出現(xiàn)實際設計的加熱裝置無法滿足試驗件加熱要求的情況，試驗中將會造成加熱裝置的石英燈超電壓超功率使用，大大增加石英燈管爆裂的風險，或顯著降低石英燈的使用壽命。

飛行器在飛行過程中受到的氣動加熱是一個瞬變過程，試驗室模擬氣動加熱過程的最終目的是復現(xiàn)結構真實的溫度場，以考察飛行器結構的熱響應特性。決定飛行器結構溫度分布的外界條件是氣動加熱時進入試驗件表面的熱量大小，其不僅是時間的函數(shù)，而且是空間位置的函數(shù)。此外，由于飛行任務不同導致了飛行器各個部位的氣動加熱狀態(tài)不同，這使得各個部位表面所吸收的熱量呈現(xiàn)非均勻分布狀態(tài)。

要在大面積上產(chǎn)生一個非均勻分布的熱場，最有效的方法是把整個受熱結構的外表面進行離散化控制，即把表面吸收的熱量近似相等的相鄰部位劃作一個獨立的區(qū)域，稱之為溫區(qū)。在進行加熱裝置設計時，一般要將整個加熱區(qū)域劃分為若干個溫區(qū)，各個溫區(qū)按照各自需要的功率密度進行加熱元件的選擇和布局設計。分區(qū)控制可以在試驗件表面上營造一個非均勻分布的熱場，近似地模擬真實的氣動加熱溫度場分布。

2 石英燈的構成及特性

2.1 石英燈的構成

輻射加熱是地面結構熱強度試驗中廣泛采用的加熱方式。石英燈具有體積小、功率密度大、熱慣性小、便于電控的特點，非常適用于模擬瞬變的氣動加熱。同時，還可以通過設計將石英燈管排布成不同尺寸和外形的加熱陣面，最高可以在大面積上獲得接近1MW/m2的熱流密度。石英燈既適用于全尺寸飛行器結構的地面熱強度試驗，也適用于部件和元件結構的熱強度試驗，無論對于曲面外形試件還是結構復雜的試件，都有較好的適應能力。石英燈輻射加熱方法具有加熱時間長、加熱能力強、多溫區(qū)控制等特點，是結構熱試驗中行之有效且應用廣泛的全尺寸結構加熱方法[1]。

常規(guī)石英燈的額定電功率主要有1kW、2kW、3.6kW及5kW等幾種，其基本規(guī)格參數(shù)見表1。石英燈主要由燈絲、燈托、燈管和燈頭組成，其基本構成見圖1。燈絲是發(fā)熱元件，燈管為燈絲提供了一個惰性的氣體環(huán)境。燈托有兩個作用：保護燈絲不會因自身重力作用斷裂、防止燈絲在自身重力作用下緊貼燈管玻璃導致玻璃異常受熱而破裂。燈頭用于固定石英燈的安裝位置并為燈絲通電。

表1 常用石英燈規(guī)格

圖1 石英燈的基本構成

2.2 石英燈的電熱特性

發(fā)熱元件的電熱特性是進行加熱裝置設計的重要參數(shù)，電熱特性包括燈絲溫度、時間常數(shù)、放大倍數(shù)、電功率等基本特性參數(shù)。進行石英燈電熱特性研究，一方面可以發(fā)現(xiàn)改善其功能的方法，從而更好地利用其加熱功能，另一方面可以快速預測電熱轉換參數(shù)，為供電設備和控制參數(shù)的選取提供依據(jù)。依據(jù)石英燈的電熱特性準確建立模型，可模擬加熱裝置輻射熱流場并進行準確預示，對指導加熱裝置設計、提高熱結構試驗質量具有重要意義。

石英燈的電功率P與其燈頭兩端的工作電壓U的關系可用式(1)描述[2]：

(1)

式中，U0為額定電壓，P0為額定功率，參數(shù)t因石英燈的規(guī)格和組合方式不同而有所不同。燈管數(shù)量越多，排列越密，t值通常越大，其經(jīng)驗值在1.5～1.7之間。對于單根石英燈管，參數(shù)t可取為1.53。利用該關系式，可以按照試驗件的加熱需求確定加熱裝置的實際所需功率。

研究表明，石英燈的電熱轉換效率隨其兩端電壓的增大而呈現(xiàn)非線性升高的規(guī)律，如圖2所示。在燈絲的工作電壓低于額定電壓220V時，電熱轉換效率一般低于75%。當燈絲的工作電壓達到額定電壓220V時，其電熱轉換效率接近80%。單根石英燈管在超壓使用時，如果燈絲的工作電壓為額定電壓的2倍，則其實際電功率將是額定功率的3倍，但是這種嚴重超壓工作狀態(tài)會嚴重影響石英燈的使用壽命，并存在極大的爆管風險，因此不建議設計加熱裝置時采用這樣的設計。

圖2 石英燈電功率特性

3 石英燈加熱裝置設計

3.1 石英燈加熱裝置組成

根據(jù)飛行器結構熱強度試驗的加熱要求，將試驗件的受熱面分解為不同的溫區(qū)后，對各個溫區(qū)的石英燈管排布進行設計是加熱裝置設計的關鍵環(huán)節(jié)。目前，常用的石英燈加熱裝置主要由并聯(lián)的石英燈管陣列、熱輻射水冷反射屏和結構支撐件三大部分組成。結構支撐件主要包含燈頭卡槽、絕緣瓷托、導流條等元件，其功能是將石英燈管陣列與熱輻射水冷反射屏連成整體，并在加熱中維持形狀不改變。圖3所示為平板陣列石英燈加熱裝置。

圖3 平板型石英燈加熱裝置

3.2 熱輻射水冷反射屏作用

作為石英燈加熱裝置的關鍵組件，熱輻射水冷反射屏可以顯著提升石英燈輻射加熱的能力。研究表明，性能良好的熱輻射水冷反射屏可以提升40%以上的加熱能力。石英燈在通電發(fā)熱時，燈絲產(chǎn)生的熱能向周圍輻射，面向試驗件一側的熱能輻射到試驗件表面，其余的熱能輻射到試驗件相反的外空間。安裝熱輻射水冷反射屏，可將這部分熱輻射反射回試驗件表面。

熱輻射水冷反射屏依據(jù)石英燈管陣列面的外形設計，將石英燈管陣列和試驗件包裹在熱輻射水冷反射屏內(nèi)，可以防止熱量散出及反射屏外的空氣對流影響加熱效果，從而起到提高加熱效率和保證加熱均勻等多重作用。熱輻射水冷反射屏的選材和形式要根據(jù)試驗件的加熱需求而定。若試驗件最高加熱溫度低于500℃，通常選用鋁合金板拋光以后制造熱輻射水冷反射屏；若試驗件的最高溫度超過500℃，可以采用不銹鋼制造。熱輻射水冷反射屏通常為空心夾層結構，中間通入流動的水用于冷卻反射屏，保證熱輻射水冷反射屏能安全工作。圖4所示為頭錐加熱裝置采用的水冷反射屏。

圖4 頭錐加熱裝置的水冷反射屏

3.3 石英燈數(shù)量確定

加熱裝置輸出的功率密度是設計加熱裝置應保證的最基本參數(shù)。根據(jù)試驗件的加熱需求確定加熱裝置輸出的功率密度，并進一步確定石英燈的規(guī)格、燈管的排列方式和燈管陣列的排列密度，根據(jù)以上參數(shù)估計最高加熱功率時石英燈的實際工作電壓。估算加熱裝置所需功率的原始依據(jù)包括受熱結構的幾何尺寸、結構材料的比熱容和密度、飛行器氣動加熱計算的結果，通常采用以下公式[3]：

(2)

式中，W為加熱裝置單位面積輸出功率，kW/m2；q為受熱結構表面的熱流密度，kW/m2；η為加熱裝置的電熱轉換效率。

受熱結構表面的熱流密度q可根據(jù)結構表面的溫度變化率計算，見式(3)。

(3)

加熱裝置的優(yōu)劣通常按照加熱效率區(qū)分。加熱裝置的加熱效率是受熱結構表面接收到的熱輻射與加熱裝置的加熱元件陣列單位面積輻射出的熱量之比值，其受石英燈本身的熱效率、熱輻射水冷反射屏的反射率、石英燈與受熱結構表面之間的距離和位置等諸多因素的影響。

當受熱結構的表面黑度系數(shù)超過0.8時，實測的試驗結果統(tǒng)計顯示，平板加熱裝置的加熱效率一般取0.4～0.5，圓筒形或圓錐形加熱裝置的加熱效率一般取0.5～0.6。當受熱結構表面處于高溫狀態(tài)時，加熱裝置輸出的功率密度應補充受熱結構件表面熱輻射散失的熱量；當受熱結構表面的溫度較低時，通常不考慮結構件本身的熱輻射損失的熱量，而是補足結構件與周圍室溫空氣之間的自然對流散失的熱量。

根據(jù)加熱裝置的溫區(qū)功率密度要求，首先選定石英燈的規(guī)格、確定石英燈管的排列方法并計算石英燈的最高工作電壓，進而確定加熱陣面需要的石英燈數(shù)量，可通過式(4)計算：

(4)

式中，W為加熱裝置功率密度，kW/m2；S為溫區(qū)面積，m2；W′為燈的輸出功率。

在確定石英燈數(shù)量時需要注意，由于石英燈的冷態(tài)電阻很低(約1.2Ω)，溫區(qū)內(nèi)多根燈管并聯(lián)后，總電阻更低，只有0.05Ω左右。由于電阻太小，設備啟動時瞬間電流極大，往往因過流保護而難以啟動，所以單個溫區(qū)并聯(lián)的石英燈不宜太多，單個溫區(qū)石英燈的總功率應控制在100kW以下。

由于燈管的規(guī)格是定值，在選擇燈管時，有時會碰到選擇長燈管還是兩個短燈管進行軸向拼接的問題。本文為此進行了專門的研究，對比單層燈管和雙層燈管的溫度模擬差異。

4 錐形加熱裝置優(yōu)化設計

4.1 問題描述

某錐形結構件如圖5所示，以到底面高度為60cm的截面為基準，分別采用兩種石英燈管排布的加熱方式：情況1為雙層石英燈管排布加熱陣列，情況2為單層石英燈管排布加熱陣列，對比到底面高度為255cm的截面和燈管對接區(qū)(到底面高度為160cm的截面)的溫度差異。

圖5 錐形結構件示意圖

4.2 計算方法

4.2.1 模型建立

錐形結構件有限元模型為iges導入的幾何模型，情況1和情況2的有限元模型完全一致，加熱裝置外圍的熱輻射水冷反射屏有限元模型完全一致。情況1和情況2石英燈管模型是抽取iges模型中的圓柱面，按照iges模型每層的實際石英燈數(shù)量采用旋轉進行網(wǎng)格劃分的。有限元模型見圖6。

(a)情況1

4.2.2 載荷施加

采用石英燈施加熱流載荷。石英燈與反射板、石英燈與結構件、反射板與結構件之間設置為面面輻射，其他邊界設置為絕熱邊界。

4.2.3 參考點與比較點選取

參考點與比較點分別選取圖7中的節(jié)點21和節(jié)點34位置。節(jié)點21與結構件底面高度為64cm，與基準截面高度相差4cm；節(jié)點34與結構件底面高度為258cm，與255cm截面高度相差3cm。

圖7 選取節(jié)點的誤差

4.2.4 計算結果

計算以最高點溫度為判據(jù)。此時，情況1節(jié)點21最終時刻溫度為1500K，而情況2節(jié)點21最終時刻溫度為1100K。由于節(jié)點34以節(jié)點21為參考，其溫度曲線在兩種情況下沿相反方向延伸，其相對溫差必然越來越大。

圖8所示為750s時刻的溫度云圖，可以看出，雖然兩種情況下同一時刻的最高溫度相同，但是試驗件整體溫度分布規(guī)律并不相同。圖9所示為兩種情況下節(jié)點21和節(jié)點34的溫度-時間歷程對比曲線?？梢钥闯觯?jié)點21在兩種情況下的溫度相差較大，而節(jié)點34在兩種情況下的溫度卻較為一致。在結構最高溫度相同的前提下，節(jié)點34在兩種情況下的溫度最大相差為1.47%。

(a)情況1

圖9 兩種燈管排布情況的溫度曲線對比

5 結 論

進行錐形結構件加熱試驗時，需要根據(jù)試驗的具體要求進行石英燈加熱裝置的設計。如果加熱過程只需要單個溫度控制點，則設計加熱裝置時采用單層石英燈管排布方式；如果加熱過程需要多個溫度控制點，則采用雙層甚至多層石英燈管排布方式。計算結果表明，與單層石英燈管排布方式的加熱裝置相比，雙層石英燈管排布方式的加熱裝置可以顯著改變錐形結構件的溫度場分布，模擬飛行器錐形結構的溫度場也更為準確。