譚德強 陳昌中 馮 烈

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

黑體輻射源作為輻射標準，主要用于紅外測溫儀、紅外熱像儀、各類紅外探測器響應率的標定，紅外光學系統(tǒng)的校準，以及各種材料發(fā)射率的測量等。黑體輻射源用于輻射溫度計檢定時，通常要求參考標準的擴展不確定度小于被檢溫度計允許誤差絕對值的1/5～1/3[1]。隨著輻射測溫技術(shù)的高速發(fā)展，輻射溫度計的誤差越來越小，對黑體輻射源的要求也越來越高[2]。

早期的黑體輻射源結(jié)構(gòu)簡單，腔體多采用碳硅化物、陶瓷或石墨材料，通過恒溫油槽或非均勻布置的加熱絲來取得均勻溫場[3]。上世紀70年代，伴隨熱管技術(shù)的飛速發(fā)展，黑體輻射源的設計開始同熱管相結(jié)合，使得溫度均勻性得到進一步提升。Bliss 設計的熱管黑體應用于（420～760）℃，選用鈉作為熱管工質(zhì)，腔形設計成雙錐形；到70年代中期，Busse 設計了一系列以水或鈉作為工質(zhì)的控壓熱管，表面溫度均勻性可以達到毫開水平；80年代中期，高魁明等[4]人研制了重力式熱管黑體輻射源，采用水/銅型熱管，最大溫差為（0.4～0.6）℃，靶面有效發(fā)射率大于0.999 5；張錫華等人研制出了直徑80 mm的鉀工質(zhì)熱管式大口徑面輻射源，采用新的熱管結(jié)構(gòu)，消耗功率小，升溫快，體積小；閆小克[5]等人研制出的高精度鈉熱管固定點爐，垂直溫場均勻性可達到11 mk。

本文運用ANSYS軟件，對現(xiàn)有黑體輻射源管式發(fā)熱盤的溫度場進行了仿真分析，并運用minitab 設計了3因子3水平的實驗方案，進一步研究發(fā)熱管功率、對流換熱系數(shù)對熱平衡的影響。同時，通過改進發(fā)熱盤厚度，縮短了發(fā)熱盤達到目標溫度的加熱時間。

1 仿真分析

1.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)現(xiàn)有的黑體輻射源管式發(fā)熱盤，進行適當簡化，忽略對溫度均勻性影響極小的部分結(jié)構(gòu)，運用Creo軟件創(chuàng)建出分析所用的三維模型。結(jié)合模型的具體結(jié)構(gòu)特性，根據(jù)分析經(jīng)驗，采用四邊形網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格數(shù)量在33萬左右。

1.2 邊界條件及求解設置

考慮到黑體輻射源管式發(fā)熱盤正常工作狀態(tài)下的熱分布情況，決定選用穩(wěn)態(tài)熱分析。根據(jù)市場現(xiàn)有發(fā)熱盤的材料屬性，設定圓盤材料為紫銅，材料物性參數(shù)選用ANSYS材料庫中的copper alloy。將圓盤外表面設置為對流換熱面，考慮自然對流情況，換熱系數(shù)選取10 w/m2·℃，環(huán)境溫度設定為20 ℃，兩根發(fā)熱管功率設置為1 w，運用ANSYS軟件計算出熱平衡時的溫度狀態(tài)。

圖1為仿真結(jié)果，由圖可以看出，熱平衡狀態(tài)下發(fā)熱盤各處的最高溫度為48.548 ℃，最低溫度為48.521 ℃，最大溫差為0.027 ℃，表面整體溫度分布均勻。

圖1 初步仿真結(jié)果

2 實驗設計及結(jié)果分析

為了進一步研究發(fā)熱管功率、對流換熱系數(shù)對熱平衡的影響，運用minitab設計了3因子3水平的實驗方案，因子水平詳見表1。

表1 因子水平表

在ANSYS中，選擇對應因子和響應前的框，激活，實現(xiàn)參數(shù)化，選擇response surface optimization模塊，分析流程如圖2、圖3。

圖2 因子和響應參數(shù)化

圖3 分析流程

為了更好分析仿真數(shù)據(jù)，在parameter set中增加監(jiān)控數(shù)據(jù)P6，定義為最高溫度和最低溫度的溫差。進入response surface optimization模塊design of experiment，設計實驗類型選擇custom或者custom+sampling，設置因子的水平，將minitab設計好的實驗方案復制粘貼到對應的表格中。

見表2、表3運行求解，得到實驗數(shù)據(jù)進行整理分析，可得出不同組合發(fā)熱功率下發(fā)熱盤表面溫度，可以看出，同組合發(fā)熱功率下，發(fā)熱盤表面溫度，隨著對流換熱系數(shù)的增大而降低；對流換熱系數(shù)一定的情況下，隨著組合功率的增加，發(fā)熱盤溫度整體升高；發(fā)熱盤表面溫度差＜0.1 ℃。

表2 實驗數(shù)據(jù)表

表3 發(fā)熱管功率組合

3 結(jié)構(gòu)改進

考慮原設計采用20 mm厚度紫銅，重量較大，固定強度要求高，且加熱緩慢，將厚度調(diào)整為10 mm，并按照原實驗方案進行了仿真分析，對比結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 不同發(fā)熱功率組合下發(fā)熱盤優(yōu)化前后表面溫度統(tǒng)計圖

圖5 不同實驗方案圓盤表面溫差統(tǒng)計圖

由圖4可以看出，10 mm厚度的發(fā)熱盤，在同等發(fā)熱功率下，表面溫度整體高于20 mm厚度的發(fā)熱盤，說明達到目標溫度所需的功率減小，即達到目標溫度值所需要的加熱時間大大減?。粚Ρ葍?yōu)化前后表面溫差（圖5），可以看出，雖然10 mm厚度發(fā)熱盤的表面溫差整體小于0.1 ℃，但比20 mm厚度發(fā)熱盤的表面溫差要大，說明厚度減薄后發(fā)熱盤表面溫度的均勻性有所降低。

4 結(jié)論

本文運用ANSYS軟件對黑體輻射源管式發(fā)熱盤進行了穩(wěn)態(tài)熱仿真計算，求解出了黑體輻射源發(fā)熱盤的表面溫度，并進一步運用minitab設計了實驗方法，求解出了不同發(fā)熱組合在不同對流換熱系數(shù)下的溫度分布情況，同時對發(fā)熱盤的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

1）黑體輻射源管式發(fā)熱盤采用管式加熱，采用導熱性良好的紫銅作為工質(zhì)，熱平衡后的表面溫度差＜0.1 ℃；

2）為了達到良好的加熱效果，建議發(fā)熱管與圓盤之間的間隙填充導熱材料以減小熱阻；

3）同組合發(fā)熱功率下，發(fā)熱盤表面溫度，隨著對流換熱系數(shù)的增大而降低；

4）對流換熱系數(shù)一定的情況下，隨著組合功率的增加，發(fā)熱盤溫度升高；

5）在不同環(huán)境下（主要體現(xiàn)在對流換熱系數(shù)的差異性），選擇不同的加熱功率組合，可以達到既定的目標溫度；

6）圓盤厚度減薄后，在同等發(fā)熱功率下，表面溫度高于原設計，說明達到目標溫度所需的功率減小，即縮短了達到目標溫度所需要的加熱時間。