基于ANSYS的平面石英灯阵辐射加热模拟

当飞行器在大气层内以高超声速飞行时，高速气流流过机体，在黏滞力作用下，空气受到机体表面的强烈压缩与摩擦，产生严重的气动发热，这种“热障”现象导致出现热应力、热应变和材料烧蚀等现象，引起飞行器内部温度升高，使舱内工作环境恶化。因此在飞行器设计过程中，需要可靠的热力试验数据作为支撑，目前加热手段主要有“对流加热（风洞为代表）”和“非对流加热（石墨辐射加热、石英灯管辐射加热为代表）”两种方式，下面就利用ANSYSY有限元软件模拟石英灯管辐射加热做个介绍。

ANSYS辐射基本原理

采用ansys中的面面辐射，辐射换热过程的基本方程如下：

辐射角系数反映相互辐射的不同物体之间几何形状与位置关系的系数，在ANSYS中采用Hemicube Method，详见ansys help viewer。

灯阵辐射模拟

在ANSYS中建立多根灯管辐射模型，采用长400mm、额定功率3300w的灯管，灯管被视为灰体，平板的尺寸为200mm*400mm*5mm，石英灯管距离试验件表面30mm。试验件材料为普通钢，反射板的材料为不锈钢，建立如图1所示的坐标系。采用面面辐射，辐射面为灯管管壁的下半个圆柱面和平板的上表面，给灯管施加图2所示的温度曲线，灯管管壁的发射率此处为0.85，给定辐射系统的初始温度为22℃，平板的其他面均为绝热。

图1 灯管对平板辐射传热模型

图2 灯管温度随时间的变化曲线

结果分析

图3为不同时间试验件表面的温度分布，可以发现位于石英灯管的正下方的平板最开始升温，然后沿着左右两边进行扩展，并且中间区域的温度最高。根据辐射换热的计算理论，灯管正下方的角系数最大，平板吸收的辐射能量最多，温度上升的最快。

图3 不同时刻的平板表面温度分布

图4表示平板表面温度分布剖面图， 表明在(2.5mm:16.5mm)*(5mm：35mm)的区域温度差异较小，边缘效应严重。

图4 平板表面温度分布剖面图