石英灯辐射加热试验热流分布优化研究_王智勇.pdf

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1、2011年4月强度与环境Apr.2011第38卷第2期STRUCTURE&ENVIRONMENTENGINEERINGVol.38,No.2石英灯辐射加热试验热流分布优化研究王智勇黄世勇巨亚堂（北京强度环境研究所，北京100076）摘要：石英灯辐射加热是在地面上模拟飞行中施加在飞行器表面热载荷的一种加热方式。由于石英灯加热元件的分布不同导致试验件表面不同区域获得的热流密度与要求施加的热载荷有所差异，这样可能会导致“过试验”或“欠试验”现象出现，从而降低了试验数据的可用性，增加了结构设计的风险。本

2、文基于蒙特卡罗方法，对单一石英灯加热器内部热流分布进行了数值模拟仿真，为更合理优化加热器内部热场分布提供理论参考，提高热试验质量。关键词：石英灯辐射加热器；蒙特卡罗法；热流分布中图分类号：O343.5文献标识码：A文章编号：1006-3919(2011)02-0018-06ThequartzradiationheatingsystemheatfluxdistributionoptimizationstudyWangZhiyongHuangShiyongJuYatang（BeijingInstit

3、uteofStructureandEnvironmentEngineering,Beijing100076，China)Abstract:Thequartzradiationheatingisawaytosimulatesurfaceheatingloadofaircrafts.Asdistributionofquartzheatersisdifferent,itcancauseheatingfluxoftestsurfacedifferentfromrealconditionandresult

4、inovertestorinsufficienttest.Eitherovertestorinsufficienttestcanmaketestdataunusableandresultinriskofstructuredesign.Inthispaper,theMonte-CarloMethodwasusedtosimulateheatfluxdistributionofquartzheaters,andgavesomeexperiencetooptimizetheheatfluxdistri

5、butionofheaterstoimprovetestquality.Keywords:quartzradiationheatingsystem;montecarlomethod;heatfluxdistribution1引言石英灯辐射加热器是飞行器结构热试验中广泛使用的加热方式，其最大优点是热惯性小便于控制，易于组装成各种形状与试件外形相适应的加热器。目前许多国家试验室仍以使用石英灯辐射加热器为主。从飞行器结构研究观点出发，采用石英灯进行结构热试验应用最为广泛。在结构热试验中采取对试件进行分

6、区，每一分区选择合理的温度或热流控制点，通过调节收稿日期：2010-01-05；修回日期：2010-06-30作者简介：王智勇（1974－），男，高工，研究方向：结构热试验技术；（100076）北京9200信箱72分箱.第38卷第2期王智勇等石英灯辐射加热试验热流分布优化研究19石英灯功率实现气动加热过程的模拟。分区越多，热流分布越均匀，试验模拟实际飞行气动加热过程就越精确。这种分区进行温度或热流模拟的准确程度直接决定了试验效果，但受到加热元件和试件结构约束，不可能无限小分区。实际试验时每个分区

7、内部存在控制点和分区边缘位置热流不均匀的现象，这种热流不均匀性使加热区内试件表面加热过程与实际飞行条件有所差异，可能会导致“过试验”或“欠试验”现象，给试验过程引入误差。此外，石英灯加热器效率与热源状态、被加热试件表面性质、周围环境条件等众多因素相关。因此分析石英灯辐射加热器内部热流分布，确定地面结构热试验的加热器内部热流分布边界条件，进而更进一步地分析试验模拟与实际飞行状态间热边界的差异，尽可能地复现实际飞行气动加热过程，并对提高试验水平意义较大。通过以上阐述可以发现，石英灯辐射加热器在整个结

8、构热试验设备中并不是最复杂的部分，但从加热的观点看，却是非常关键部分，如加热器内部热流分布问题，多区加热器域间耦合问题，热虚拟数字仿真试验等，一些问题还没有彻底解决，需要进一步开展研究。本文基于蒙特卡罗方法，对石英灯加热器内部热流分布进行了数值模拟仿真，为更合理的优化加热器热场分布提供理论参考依据。2计算方法石英灯加热器主要依靠石英灯丝高温辐射向外界提供能量，由于热辐射传输机理与导热、对流传热有根本的不同，其数值计算也与导热、对流传热的计算方法有很大的区别，辐射能量对空间方向依赖性是使热辐射传输