楊國(guó)巍 蘇新明 裴一飛 陳金明

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

1 引言

紅外燈陣作為一種空間外熱流模擬裝置,被廣泛應(yīng)用于航天器真空熱試驗(yàn)中。紅外燈陣由紅外單燈組件、擋板、支架構(gòu)成,如圖1所示。紅外燈陣?yán)昧艘唤M紅外單燈的熱輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被輻照面的加熱,針對(duì)被輻照面的面積、最高溫度(熱流)值和熱流均勻性的要求,對(duì)紅外燈陣的尺寸和紅外單燈的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。

使用紅外燈陣加熱時(shí),熱流不均勻性一般不超過(guò)±10%[1]。為了達(dá)到上述要求,試驗(yàn)開(kāi)始前,需要對(duì)燈陣進(jìn)行均勻性測(cè)試,即調(diào)整單燈在燈陣中的安裝位置,使燈陣的熱流不均勻性在(-10%～+10%)范圍內(nèi)。這一過(guò)程比較繁瑣且耗費(fèi)人力。為了有效縮短燈陣熱流不均勻性測(cè)試時(shí)間,方便快捷地完成燈陣安裝,有必要通過(guò)數(shù)值方法對(duì)紅外燈陣熱流分布進(jìn)行優(yōu)化分析計(jì)算,在燈陣進(jìn)行熱流不均勻性測(cè)試前期,獲得合理的單燈安裝位置。

圖1 紅外燈陣示意圖Fig.1 Schematic diagram of infrared lamp array

目前國(guó)內(nèi)外用于航天器外熱流模擬的紅外燈的種類(lèi)及型號(hào)有所不同。美國(guó)NASA航天器真空熱試驗(yàn)中通常采用Research 公司生產(chǎn)的紅外燈[2]。德國(guó)LABG 公司采用型號(hào)為13195X/98,額定功率為1 000W 的飛利浦紅外燈[3]。在我國(guó)航天器真空熱試驗(yàn)中,也采用了飛利浦紅外燈,型號(hào)為13169X/98。本文即以該種紅外燈為研究對(duì)象,建立了我國(guó)航天器真空熱試驗(yàn)使用的紅外燈陣熱流分布優(yōu)化計(jì)算方法。該方法考慮了紅外燈陣的實(shí)際安裝情況,利用遺傳算法對(duì)紅外燈陣的熱流分布進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算,以熱流不均勻性不超過(guò)±10%為考核目標(biāo),得到最佳的單燈安裝位置。本文計(jì)算的結(jié)果可以直接應(yīng)用于紅外燈陣熱流不均勻性測(cè)試,使紅外燈陣熱流均勻性?xún)?yōu)化達(dá)到工程實(shí)踐要求,減少試驗(yàn)調(diào)整時(shí)間,并為紅外燈陣排布提供指導(dǎo)準(zhǔn)則。

2 紅外燈陣熱流模擬

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外燈陣熱流的優(yōu)化分析,需要解決紅外燈陣熱流的仿真計(jì)算問(wèn)題。由于難以獲得解析解,因此在既往研究和工程實(shí)踐中,紅外燈陣熱流仿真計(jì)算主要采用蒙特卡洛方法[4-5]。但蒙特卡洛方法的缺點(diǎn)是計(jì)算速度較慢,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),對(duì)于50個(gè)單燈規(guī)模的紅外燈陣,若蒙特卡洛方法采用100萬(wàn)個(gè)粒子,則1次燈陣熱流仿真就需要數(shù)小時(shí)時(shí)間。

紅外燈陣熱流仿真研究主要為優(yōu)化研究做準(zhǔn)備。在紅外燈陣熱流優(yōu)化過(guò)程中,將多次頻繁調(diào)用紅外燈陣熱流仿真模塊。若熱流仿真計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng),則后續(xù)優(yōu)化計(jì)算的總時(shí)間將令人無(wú)法接受。因此必須尋找一種能夠?qū)t外燈陣的熱流分布進(jìn)行合理、快速、準(zhǔn)確仿真的計(jì)算方法,供后續(xù)紅外燈陣熱流優(yōu)化分析調(diào)用。

針對(duì)上述要求,本研究對(duì)于紅外燈陣熱流仿真的主要思路是:

1)基于蒙特卡洛方法獲得紅外單燈的熱流輻射分布(無(wú)擋板)[5];

2)將不同網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)的紅外單燈熱流分布數(shù)據(jù)集成為紅外單燈熱流分布數(shù)據(jù)庫(kù),網(wǎng)格點(diǎn)之間的紅外燈熱流視為線性分布;

3)在給定紅外單燈坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度及被照面目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)條件下,根據(jù)紅外單燈熱流分布數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行線性插值,得到紅外單燈對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的直射熱流;

4)在給定紅外單燈坐標(biāo)、被照面目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)及燈陣擋板坐標(biāo)的條件下,按鏡面反射計(jì)算紅外單燈通過(guò)擋板對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的反射熱流;

5)對(duì)紅外燈陣的所有紅外單燈以及被照面的所有目標(biāo)點(diǎn),重復(fù)3)、4)計(jì)算,得到紅外燈陣熱流分布。

2.1 紅外單燈熱流分布

本文以矩形被照面為研究對(duì)象,單燈旋轉(zhuǎn)角為0°。由于典型紅外單燈水平方向有效熱流輻射半徑一般不超過(guò)1 000mm,垂直方向有效熱流輻射半徑一般不超過(guò)700mm,在此范圍外的紅外燈的輻照熱流可以忽略。在紅外單燈熱流分布的蒙特卡洛法計(jì)算中,參數(shù)設(shè)置如下:

1)被照面為2 000mm ×2 000mm 的矩形平面;

2)被照面幾何中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),紅外單燈軸線方向?yàn)閄 軸,徑向方向?yàn)閅 軸,高度方向?yàn)閆 軸,如圖2所示;

3)紅外單燈采用質(zhì)點(diǎn)熱源表示,設(shè)置于坐標(biāo)原點(diǎn)正上方,高度可變,最大不超過(guò)700mm;

4)紅外單燈參數(shù)(尺寸、阻值等)選取飛利浦13195X/98 型紅外燈的相關(guān)參數(shù);

5)被照面計(jì)算網(wǎng)格劃分為100×100。

根據(jù)上述計(jì)算條件,分別采用蒙特卡洛方法計(jì)算不同高度(50mm～700mm,50mm 間隔)條件下,矩形平面被照面的紅外單燈熱流分布。在典型試驗(yàn)條件(高度300mm)下,紅外單燈熱流分布計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 紅外單燈熱流分布的蒙特卡洛計(jì)算(示意圖)Fig.2 Monte Carlo calculation of heat flux distribution of single infrared lam p array(schematic diagram)

圖3 紅外單燈熱流分布(蒙特卡洛法計(jì)算結(jié)果,旋轉(zhuǎn)角為0°)Fig.3 H eat flux dist ribution of an infrared lamp array(Monte Carlo calculation,0°rotation angle)

匯總各種高度條件下的紅外單燈熱流計(jì)算結(jié)果,即可生成紅外單燈熱流分布數(shù)據(jù)庫(kù)。紅外單燈熱流分布數(shù)據(jù)庫(kù)是下一步紅外燈陣熱流分布仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用二維數(shù)據(jù)表的形式描述紅外單燈標(biāo)準(zhǔn)幾何位置條件下的矩形平面被照面目標(biāo)點(diǎn)熱流分布。

2.2 紅外單燈直射熱流

如果紅外單燈熱流分布數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算網(wǎng)格足夠多,則網(wǎng)格間的紅外燈熱流可視為線性分布。因此對(duì)于任意位置紅外單燈對(duì)于任意位置被照面目標(biāo)點(diǎn)的直射熱流輻射,可通過(guò)坐標(biāo)變換將目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)和紅外燈原坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為與紅外單燈熱流數(shù)據(jù)庫(kù)相同的坐標(biāo)系,然后將獲得的紅外單燈熱流分布數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值。

如圖4所示,(Xsource,Ysource,Zsource)為紅外單燈光源位置坐標(biāo),(Xdes,Ydes,Zdes)為被照面目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo),X m、X m+1為熱流數(shù)據(jù)庫(kù)的X 向網(wǎng)格點(diǎn),Y n、Y n+1為Y 向網(wǎng)格,Zk、Zk+1為Z 向網(wǎng)格。紅外燈旋轉(zhuǎn)角度為0,被照面為矩形平面。為了獲得任意位置(Xsource,Ysource,Zsource)單燈在被照面任意位置(Xdes,Ydes,Zdes)處的直射熱流,首先進(jìn)行坐標(biāo)變換,將絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為相對(duì)坐標(biāo):

因不考慮單燈旋轉(zhuǎn)情況,因此可以直接根據(jù)ΔX、ΔY、ΔZ 以及紅外單熱流分布數(shù)據(jù)庫(kù),得出圖3中Zk、Zk+1高度對(duì)于被照面標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn)的輻射熱流值:Q(Zk,Xm,Yn),Q(Zk,Xm+1,Yn),Q(Zk,Xm,

圖4 紅外單燈相對(duì)被照面目標(biāo)點(diǎn)的輻照熱流插值計(jì)算示意Fig.4 Radiation heat flux interpolation calculation of infrared lamp array relative to aim point

根據(jù)以上網(wǎng)格點(diǎn)的熱流值進(jìn)行線性插值,即可得到(Xsource,Ysource,Zsource)處紅外燈對(duì)(Xdes,Ydes,Zdes)處目標(biāo)點(diǎn)的直射熱流值Q(ΔZ ,ΔX ,ΔY):

按照類(lèi)似的過(guò)程,可以求得Q(Zk+1,ΔX ,ΔY),于是得出:

2.3 擋板反射熱流

根據(jù)紅外燈陣實(shí)際安裝結(jié)構(gòu),在燈陣四周都有反光擋板,因此存在反射熱流,對(duì)熱流不均勻性同樣有影響,尤其是在被照面邊緣部位影響更加明顯。為了簡(jiǎn)化分析擋板反射熱流的影響,做如下假設(shè):

1)紅外燈對(duì)被照面目標(biāo)點(diǎn)的反射熱流,由通過(guò)所有燈陣擋板反射熱流的線性疊加構(gòu)成;

2)通過(guò)燈陣擋板的熱流反射按鏡面反射考慮;

3)紅外燈通過(guò)燈陣擋板的反射熱流,視為紅外燈對(duì)“被照面目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于擋板的對(duì)稱(chēng)鏡像點(diǎn)”直射熱流的鏡面反射;

4)每經(jīng)過(guò)一次擋板反射后熱流均有所衰減,因此不考慮三次以上的擋板反射熱流。

對(duì)于一次反射熱流,如圖5所示,圖中虛線部分為燈陣擋板,(Xsource,Ysource,Zsource)為紅外單燈光源,(Xdes,Ydes,Zdes)為被照面目標(biāo)點(diǎn)。MU(Xdes,Ymirror,Zdes)為目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于上方擋板鏡像點(diǎn),ML(Xmirror,Ydes,Zdes)為目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于左方擋板鏡像點(diǎn),鏡像坐標(biāo)可根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)和擋板坐標(biāo)求得。Q0為直射熱流。QL、QR、QU、QD為通過(guò)四個(gè)擋板的反射熱流,可視為紅外燈光源對(duì)各擋板鏡像點(diǎn)的直射熱流經(jīng)過(guò)一次擋板反射的結(jié)果,即

式中Q(Zsource,Xdes,Ymirror,Zdes)為位于Zsource高度的紅外燈對(duì)于上擋板鏡像的直射熱流,Q(Zsource,Xmirror,Ydes,Zdes)為紅外燈相對(duì)于左擋板鏡像的直射熱流,λ為擋板鏡面反射率。同理可求得QR和QD。

圖5 通過(guò)擋板的一次反射熱流計(jì)算(示意圖)Fig.5 Heat flux of the first reflection through baffle(schematic diagram)

圖6 通過(guò)擋板的二次反射熱流計(jì)算(示意圖)Fig.6 H eat flux of the second reflection through baffle(schematic diagram)

對(duì)于二次反射熱流,如圖6所示,圖中MU為上擋板鏡像,ML為左擋板鏡像,MLU為左、上擋板的二次鏡像,QLU為通過(guò)左、上擋板的二次反射熱流,其它符號(hào)意義同圖5。

與一次反射熱流計(jì)算類(lèi)似,QLU可視為紅外燈光源對(duì)左、上擋板二次反射鏡像點(diǎn)直射熱流經(jīng)過(guò)兩次擋板反射的結(jié)果,即

同理,可求得通過(guò)其它擋板的二次反射熱流QLD(左、下?lián)醢?、QLU(右、上擋板)、QRD(右、下?lián)醢?。

2.4 擋板間隙漏光量

由于燈陣擋板下緣不會(huì)與被照面直接接觸,存在一定的間隙EZ,,如圖7所示,因此存在著從間隙漏光的問(wèn)題。

圖7 紅外燈陣擋板高度方向間隙對(duì)反射熱流的影響Fig.7 Influence of baffle gap in height on reflection heat flux

根據(jù)光線的傳播特性,以及被照點(diǎn)的鏡面點(diǎn)位置,可以確定反射點(diǎn)的高度方向坐標(biāo)Zreflex。若Zreflex＜EZ,則光線從間隙漏出,擋板反射熱流為0。對(duì)于二次反射熱流是否漏光,可采取類(lèi)似的方法判斷。

綜上所述,紅外單燈對(duì)于被照面目標(biāo)點(diǎn)總熱流Q為直射熱流與反射熱流之和,即:

上式中的一次反射熱流和二次反射熱流是已經(jīng)考慮了漏光情況的修正值。

2.5 熱流仿真模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)本研究關(guān)于紅外燈熱流仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性,同時(shí)采用蒙特卡洛方法和本研究模型分別對(duì)相同試驗(yàn)條件下的紅外燈陣熱流分布進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算參數(shù)如下:

1)紅外燈陣尺寸2 500mm ×2 300mm(實(shí)際被照面2 350mm ×2 150mm),EX、EY為擋板距離被照面的水平間隔;

2)EX=75mm,EY=75mm,EZ=50mm;

3)擋板鏡面反射率為0.5;

4)紅外單燈數(shù)量48 支,6 列8 行均勻分布,高度為350mm;

5)所有紅外燈旋轉(zhuǎn)角均為0°。

圖8示出了蒙特卡洛方法計(jì)算結(jié)果(熱流均勻性T =19.3%),圖9示出了本研究模型仿真結(jié)果(熱流不均勻性T =17.8%)。結(jié)果表明,本研究提出的插值算法熱流分布仿真結(jié)果符合實(shí)際物理規(guī)律,與蒙特卡洛算法結(jié)果相近,熱流不均勻性相對(duì)誤差小于2%。

圖8 紅外燈陣熱流分布模型驗(yàn)證,蒙特卡洛算法T =19.3%Fig.8 Validation of heat flux model of infrared lamp array,Monte Carlo calculation T =19.3%

圖9 紅外燈陣熱流分布模型驗(yàn)證,本研究模型T =17.8%Fig.9 Validation of heat flux model of infrared lamp array,the model of this paper T =17.8%

由此可見(jiàn),采用紅外燈陣熱流仿真方法得到的計(jì)算結(jié)果與采用蒙特卡洛法計(jì)算得到的結(jié)果吻合良好,但本文計(jì)算過(guò)程僅用時(shí)5s,說(shuō)明本文的計(jì)算方法可以用于復(fù)雜的紅外燈陣熱流分布優(yōu)化計(jì)算。

3 紅外燈陣熱流分布優(yōu)化計(jì)算

影響紅外燈陣熱流均勻性分布,主要有三類(lèi)參數(shù):

1)紅外燈陣單燈相關(guān)參數(shù),紅外燈坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角、單燈尺寸和阻值參數(shù)等;

2)紅外燈陣擋板相關(guān)參數(shù),擋板坐標(biāo)、擋板垂直間隙和擋板反射率等;

3)被照面相關(guān)參數(shù),包括被照面型式和被照面網(wǎng)格點(diǎn)劃分等。

根據(jù)實(shí)際工程實(shí)踐,在做優(yōu)化計(jì)算之前對(duì)上述影響參數(shù)作如下約定:

1)紅外燈無(wú)旋轉(zhuǎn)角,單燈尺寸及阻值固定,為已知量;

2)紅外燈陣擋板相關(guān)參數(shù)固定且為已知,計(jì)算中取擋板反射率為0.6;

3)被照面選取矩形平面,被照面網(wǎng)格劃分可根據(jù)矩形尺寸進(jìn)行調(diào)整。

由此可以確定紅外燈陣熱流分布不均勻性的優(yōu)化目標(biāo)為:在給定紅外燈陣擋板參數(shù)和被照面參數(shù)的條件下,采用合適的優(yōu)化算法,對(duì)紅外單燈空間坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析,找出紅外燈陣熱流不均勻性滿(mǎn)足要求時(shí)的各紅外單燈的空間位置。

紅外燈陣熱流分布不均勻性?xún)?yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型如下:

式中X為紅外燈陣空間坐標(biāo)組合向量;(x,y ,z)i為第i個(gè)紅外單燈的三維空間坐標(biāo);N為紅外燈數(shù)量;D表示紅外燈坐標(biāo)空間排布取值范圍;f(X)為描述紅外燈陣熱流分布不均勻性的目標(biāo)函數(shù),一般采用相對(duì)誤差均勻性和標(biāo)準(zhǔn)差均勻性?xún)煞N,即

式中Qmax為被照面最大熱流,Qmin為被照面最小熱流,Qavg為被照面熱流算術(shù)平均值,M為被照面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量。

為了得出單燈最佳安裝空間坐標(biāo),需采用合適的優(yōu)化算法。遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)是一種自適應(yīng)智能生物進(jìn)化優(yōu)化算法,具有天然的并行優(yōu)化和全局優(yōu)化特性,可同時(shí)跟蹤優(yōu)化多個(gè)參數(shù),對(duì)目標(biāo)函數(shù)梯度特性、連續(xù)性和單調(diào)性均無(wú)特殊要求,具有很強(qiáng)的魯棒性,非常適合工程實(shí)踐需求,因此可以將遺傳算法用于紅外燈陣熱流不均勻性?xún)?yōu)化分析。

3.1 遺傳算法[6]

遺傳算法本質(zhì)上是一種隨機(jī)性?xún)?yōu)化方法,其優(yōu)化過(guò)程首先是對(duì)所求問(wèn)題進(jìn)行編碼,然后初始化一個(gè)種群,接著對(duì)整個(gè)種群反復(fù)進(jìn)行選擇、交叉、變異等遺傳操作,從而使整個(gè)種群不斷朝最優(yōu)值方向邁進(jìn),直到得到滿(mǎn)足工程要求的優(yōu)化解。遺傳算法雖然不能確定得到優(yōu)化問(wèn)題最優(yōu)解,但隨著遺傳代數(shù)的增加,遺傳算法得到的次優(yōu)解會(huì)以概率1 趨近于最優(yōu)解。遺傳算法的流程圖見(jiàn)圖10。

遺傳算法需設(shè)定的主要計(jì)算參數(shù)有:

1)群體規(guī)模(Size),表示每一代群體所包含的染色體數(shù)量。群體規(guī)模的取值主要取決于待優(yōu)化參數(shù)的數(shù)量,一般在100～200 之間;

2)交叉概率(Pc),表示染色體發(fā)生交叉的概率。交叉算子是產(chǎn)生新個(gè)體的主要算子,Pc 的取值范圍因具體問(wèn)題不同可為0.5～0.95。本文取Pc為0.85;

圖10 遺傳算法流程圖Fig.10 Flow chart of Genetic Algorithm

3)變異概率(Pm),表示染色體發(fā)生變異的概率。Pm取值范圍一般為0.01～0.1,本文取Pm為0.05;

4)終止代數(shù)(Age),表示遺傳運(yùn)算的代數(shù)。遺傳算法是一種隨機(jī)性?xún)?yōu)化算法,理論上可以無(wú)限制地進(jìn)行計(jì)算趨近于最優(yōu)解。因此設(shè)定一個(gè)終止代數(shù),強(qiáng)制性地以終止代數(shù)的最優(yōu)解作為優(yōu)化結(jié)果。本文取Age為200;

5)優(yōu)化目標(biāo)值T0,即紅外燈陣熱流均勻性目標(biāo)。紅外燈陣熱流均勻性可以用相對(duì)誤差或標(biāo)準(zhǔn)差誤差表征。本文按熱流分布不均勻性相對(duì)誤差設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)值為T(mén)0為8%。

以紅外燈安裝坐標(biāo)為待優(yōu)化參數(shù),結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn),為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,將待優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行合并調(diào)整以下兩點(diǎn):

1)對(duì)于平面矩形被照面,以中心為原點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng),紅外燈陣也與對(duì)稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng),所以可以只調(diào)節(jié)一個(gè)象限的紅外燈陣排布,其他象限跟其對(duì)應(yīng)即可。這樣可以有效將待優(yōu)化參數(shù)減少為原來(lái)的1/4;

2)紅外燈在燈陣中的位置不是任意的,受到擋板的限制,以及安裝的需要,一般要幾只燈共同安裝在一個(gè)支架上,如圖1所示,因此在優(yōu)化計(jì)算時(shí)可以將安裝在同一個(gè)支架上的紅外單燈X 坐標(biāo)鎖定(此時(shí)假設(shè)支架方向?yàn)閅 向),即幾只紅外燈的X 坐標(biāo)相同,隨支架移動(dòng)共同變化。此時(shí)待優(yōu)化參數(shù)進(jìn)一步減少,如一支架上4只燈,則要計(jì)算的X 坐標(biāo)由原來(lái)的4個(gè)縮減為1個(gè)。

3.2 優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)以上分析,對(duì)某平面矩形被照面的熱試驗(yàn)使用的紅外燈陣進(jìn)行坐標(biāo)優(yōu)化計(jì)算。計(jì)算的優(yōu)化條件如下:

1)平面矩形被照面,被照面尺寸3 680mm ×2 400mm;

2)擋板與被照面水平間距60mm ,垂直間距60mm,擋板反射率為0.6;

3)90 支紅外單燈,按10 列9 行排布,旋轉(zhuǎn)角度為0°,如圖11所示。

4)計(jì)算中將燈陣進(jìn)行列鎖定,即安裝在同一支架上的9只單燈,其X 坐標(biāo)變化相同。

計(jì)算結(jié)束后,得到優(yōu)化后的紅外燈熱流分布如圖12所示,此時(shí)熱流均勻性為5.99%,滿(mǎn)足優(yōu)化要求。燈陣優(yōu)化后的安裝坐標(biāo)圖如圖13所示。

圖11 計(jì)算用紅外燈陣示意圖Fig.11 Schematic diagram of infrared lamp array for calculation

可以看出,在燈陣四個(gè)角的位置上,單燈的安裝高度較低,這是由于兩塊互相垂直的擋板對(duì)紅外燈熱流分布有很大影響,在該位置處的熱流強(qiáng)度較低,為了在被照面上獲得較均勻的熱流,因此單燈的安裝位置更接近于被照面,以獲得足夠強(qiáng)度的熱流。

3.3 測(cè)試驗(yàn)證

圖12 優(yōu)化后的燈陣熱流分布,T=5.99%Fig.12 Heat flux after optimization,T=5.99%

圖13 優(yōu)化后的燈陣安裝坐標(biāo)Fig.13 Installation coordinates of infrared lamp array af ter optimization

為了驗(yàn)證優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的正確性,根據(jù)3.2 節(jié)中優(yōu)化計(jì)算得出的紅外燈陣安裝坐標(biāo),對(duì)某型真空熱試驗(yàn)使用的紅外燈陣進(jìn)行均勻性測(cè)試。

使用熱流均勻性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)紅外燈陣進(jìn)行熱流均勻性測(cè)試,如圖14所示。測(cè)試儀通過(guò)在導(dǎo)軌上滑動(dòng)以測(cè)遍被照面高度上所有位置的熱流值。然后根據(jù)式(8)計(jì)算相對(duì)誤差均勻性,與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

得到紅外燈陣在被照面高度上的熱流分布如圖15所示,熱流不均勻性為7.18%,滿(mǎn)足熱流不均勻性小于8%的要求。與優(yōu)化計(jì)算結(jié)果相比,兩者僅有1.19%的差異,說(shuō)明熱流分布優(yōu)化計(jì)算是正確的。

4 結(jié)論

圖14 均勻性測(cè)試Fig.14 Heat uniformity test

圖15 實(shí)際測(cè)得燈陣熱流分布,T=7.18%Fig.15 Aetual heat flux of aetual lamp array,T=7.18%

利用蒙特卡洛法進(jìn)行了紅外單燈熱流分布計(jì)算,并據(jù)此建立了數(shù)據(jù)庫(kù),綜合考慮紅外燈直射熱流、擋板反射率以及間隙漏光量等影響因素,得到紅外燈陣熱流分布。計(jì)算表明,本文的仿真結(jié)果與采用蒙特卡洛法計(jì)算得到的紅外燈陣熱流分布結(jié)果接近,證明本文進(jìn)行熱流仿真所采取的計(jì)算方法是正確的。此方法大大縮短了熱流仿真所用時(shí)間,為進(jìn)行紅外燈陣熱流分布優(yōu)化提供了有力的保障。

通過(guò)結(jié)合工程實(shí)踐,對(duì)實(shí)際紅外燈陣進(jìn)行了合理分析,最終將紅外燈陣空間坐標(biāo)作為待優(yōu)化參數(shù)。其中在同一支架上的紅外燈X 坐標(biāo)鎖定,共同變化。在優(yōu)化過(guò)程中,利用遺傳算法,以熱流不均勻性小于8%作為優(yōu)化目標(biāo),進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。對(duì)某型真空熱試驗(yàn)使用的紅外燈陣進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算,計(jì)算得到的熱流不均勻性為5.99%,滿(mǎn)足要求。根據(jù)計(jì)算得到的燈陣安裝坐標(biāo)對(duì)實(shí)際燈陣進(jìn)行安裝,并測(cè)試熱流均勻性,測(cè)量得到的熱流不均勻性為7.18%,同樣滿(mǎn)足要求,且與計(jì)算結(jié)果只有1.19%的差異,說(shuō)明本文的計(jì)算結(jié)果是正確的,而且通過(guò)本文的計(jì)算過(guò)程,可以有效地縮短紅外燈陣安裝調(diào)試時(shí)間,避免了為獲得合理的紅外燈熱流分布而采取的人工操作。通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到的紅外燈安裝坐標(biāo)可以直接應(yīng)用于實(shí)際紅外燈陣的安裝,熱流不均勻性的測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足要求。

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