CN113207198B - 试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置及其设计方法 - Google Patents

试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，包括：弧型石英灯、导引装夹弧轨、加热器框架、接线板、耐高温隔热工装、试片装夹位；弧型石英灯的瓷头部位安装定位于导引装夹弧轨的孔位上，导引装夹弧轨固定于加热器框架上；弧型石英灯的引出线连接于接线板，接线板与动力电缆连接为弧型石英灯供电，待测试片安装在试片装夹位处。本发明提升热流场均匀性的方法为：弧型石英灯安装在导引装夹弧轨上，形成一个曲面型灯阵，灯阵的曲面造型提高了灯阵与试片之间的角系数，从而提高了受热面热流场的均匀度。本发明通过设计结构简单、易于加工制造的曲面型灯阵加热器，提升了待测试片受热面热流场的均匀性和试片热试验的置信度，降低试验成本。

Description

试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置及其设计方法
技术领域
本发明涉及气动热模拟试验领域，具体涉及一种试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置及其设计方法。
背景技术
石英灯加热器是国内外热试验中广泛采用的加热元件。它通过在石英灯阵两端施加电压，使灯丝温度升高进而向外辐射能量。之前多用平板型辐射加热器开展试片级产品的气动热模拟试验，辐射加热器的灯阵多为直列型灯阵，到达试片表面的热流具有一定的热流不均匀度，这会影响试验的置信度。因此，有必要设计出一种应用于试片级石英灯加热器的热流均匀性增强装置用于提升加热器的热流均匀度，提升试片热试验的置信度，提升试片热试验的可靠性，降低试验成本，促进试验顺利进行。
发明内容
本发明的目的在于提供试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置及其设计方法，提升加热器的热流均匀性。
为了达到上述的目的，本发明提供试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，包括：弧型石英灯1、导引装夹弧轨2、加热器框架3、接线板4、耐高温隔热工装5、试片装夹位6；
所述弧型石英灯1的瓷头部位安装定位于导引装夹弧轨2的孔位上，导引装夹弧轨2固定于加热器框架3上；所述弧型石英灯1的引出线连接于接线板4，接线板4与动力电缆连接为弧型石英灯1供电，待测试片安装在试片装夹位6处；试片装夹位6位于耐高温隔热工装5的中心区域保证试片装夹在灯阵中心。
上述试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其中，所述弧型石英灯1的灯管瓷头部分为方形平口结构，灯管的背向侧涂有高反射率陶瓷漆。
上述试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其中，所述导引装夹弧轨2为月牙型造型，厚度为5mm，上面开有等间距的方形开口固定石英灯的瓷头部分，实现弧型石英灯1的安装固定。
上述试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其中，所述弧型石英灯1安装在导引装夹弧轨2上，形成了一个曲面型灯阵。
上述试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其中，所述加热器框架3由钢板焊接而成，其下端面开有通孔，通过螺栓能将其固定在地面平台上。
上述试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其中，所述接线板4为黄铜板，其上开有螺纹孔用于安装石英灯导线的引出端，接线板的下端开通孔处用于连接动力电缆。
上述试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其中，所述耐高温隔热工装5为厚度30mm的硬质硅酸铝陶瓷纤维隔热板，耐高温隔热工装5的耐温能力大于1500℃。
上述试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其中，所述试片装夹位6的周围是耐高温隔热工装5以保证待测试片边界条件的隔热性。
上述试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置的设计方法，其中，包括步骤如下：
将加热元件石英灯设计成圆弧构型并通过导引装夹弧轨2组装成空间凹曲面型状灯阵，提高灯管边缘位置及边缘灯管表面微元到试片表面微元的角系数，从而提高试片表面的热流均匀性；
灯阵与试片之间的角系数是影响试片表面热流均匀性的主要因素，灯阵微元表面dA1到试片表面微元dA2的角系数
Figure BDA0002768601580000021
其中：θ1为灯阵微元表面法线与两微元连线的夹角，θ2为试片微元表面法线与两微元连线的夹角，dA1为灯阵微元表面面积，r为两微元之间的距离。
根据本发明的一个方面，提供其特征在于，包括：弧型石英灯1、导引装夹弧轨2、加热器框架3、接线板4、耐高温隔热工装5、试片装夹位6。
其中：所述弧型石英灯1的瓷头部位安装定位于导引装夹弧轨2的孔位上，导引装夹弧轨2固定于加热器框架3上，弧型石英灯1的引出线连接于接线板4，接线板4与动力电缆连接为弧型石英灯1供电，待测试片安装在试片装夹位6处。
本发明提升热流场均匀性的方法为：弧型石英灯1安装在导引装夹弧轨2上，形成了一个曲面型灯阵，其相比于直面型灯阵而言，灯阵的曲面造型提高了灯阵与试片之间的角系数，从而提高了受热面热流场的均匀度。
所述弧型石英灯1的灯管造型为带有一定曲率的弧型石英灯，灯管的瓷头部分为方形平口结构，灯管的背向侧涂有高反射率陶瓷漆，用于提升灯管加热能力。
所述导引装夹弧轨2为带有一定曲率的月牙型造型，厚度为5mm，上面开有多个等间距的方形开口固定石英灯的瓷头部分实现弧型石英灯1的安装固定。
所述加热器框架3由多根钢板焊接而成，其下端面开有多个通孔，可通过螺栓将其固定在地面平台上。
所述接线板4为导电性能良好的黄铜板，其上开有多个螺纹孔用于安装石英灯导线的引出端，接线板的下端开通孔处用于连接动力电缆。
所述耐高温隔热工装5为厚度30mm的硬质硅酸铝陶瓷纤维隔热板，其隔热性能良好，防止热量传递到待测试片的背侧面，耐高温隔热工装5的耐温能力大于1500℃。
所述试片装夹位6位于耐高温隔热工装5的中心区域保证试片装夹在灯阵中心。试片装夹位6的周围是耐高温隔热工装以保证待测试片边界条件的隔热性。
一种试片级石英灯加热器热流均匀性增强设计方法，设计如所述的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，包括如下所述的设计热流均匀性增强的步骤：
灯阵与试片之间的角系数是影响试片表面热流均匀性的主要因素，灯阵微元表面dA1到试片表面微元dA2的角系数。
Figure BDA0002768601580000041
其中：θ1为灯阵微元表面法线与两微元连线的夹角，θ2为试片微元表面法线与两微元连线的夹角，dA1为灯阵微元表面面积，r为两微元之间的距离。
将加热元件石英灯设计成圆弧构型并通过导引装夹弧轨2组装成空间凹曲面型状灯阵，提高了灯管边缘位置及边缘灯管表面微元到试片表面微元的角系数，从而提高试片表面的热流均匀性。
与现有技术相比，本发明的技术有益效果是：
本发明通过设计结构简单、易于加工制造的曲面型灯阵加热器，提升了待测试片受热面热流场的均匀性，提升了试片热试验的置信度，降低试验成本，促进试验顺利进行。
附图说明
本发明的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置及其设计方法由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明所提供的石英灯加热器热流均匀性增强装置构成示意图；
图2为本发明所提供的弧型石英灯示意图；
图3为本发明所提供的导引装夹弧轨示意图；
图4为加热器框架示意图。
其中，弧型石英灯1、导引装夹弧轨2、加热器框架3、接线板4、耐高温隔热工装5、试片装夹位6。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置及其设计方法作进一步的详细描述。
如图1-图4所示，本发明实施例提供了一种试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，包括弧型石英灯1、导引装夹弧轨2、加热器框架3、接线板4、耐高温隔热工装5、试片装夹位6。
如图1所示，弧型石英灯1的瓷头部位安装定位于导引装夹弧轨2的孔位上，导引装夹弧轨2固定于加热器框架3上，弧型石英灯1的引出线连接于接线板4，接线板4与动力电缆连接为弧型石英灯1供电，待测试片安装在试片装夹位6处。
如图2所示，弧型石英灯1的灯管造型为带有一定曲率的弧型石英灯，灯管的瓷头部分为方形平口结构，灯管的背向侧涂有高反射率陶瓷漆，用于提升灯管加热能力。
如图3所示，导引装夹弧轨2为带有一定曲率的月牙型造型，厚度为5mm，上面开有多个等间距的方形开口固定石英灯的瓷头部分实现弧型石英灯1的安装固定。
如图4所示，加热器框架3由多根钢板焊接而成，其下端面开有多个通孔，可通过螺栓将其固定在地面平台上。接线板4为导电性能良好的黄铜板，其上开有多个螺纹孔用于安装石英灯导线的引出端，接线板的下端开通孔处用于连接动力电缆。
耐高温隔热工装5为厚度30mm的硬质硅酸铝陶瓷纤维隔热板，其隔热性能良好，防止热量传递到待测试片的背侧面，耐高温隔热工装5的耐温能力大于1500℃。
试片装夹位6位于耐高温隔热工装5的中心区域保证试片装夹在灯阵中心。试片装夹位6的周围是耐高温隔热工装以保证待测试片边界条件的隔热性。
本发明所述的是用于试片级产品的加热器热流均匀性增强装置，根据试片尺寸需要可以将加热器设计成不同尺寸规格。
弧型石英灯1是热流均匀性增强装置的重要组成模块，其作用主要有：(1)提供热载荷；(2)与导引装夹弧轨2组合形成了一个曲面型灯阵，提升加热器的热流均匀性。
导引装夹弧轨2是热流均匀性增强装置的重要组成模块，其作用主要是与弧型石英灯1组合形成一个曲面型灯阵，提升加热器的热流均匀性。
加热器框架3是热流均匀性增强装置的重要组成模块，其作用主要是构成加热器的形状，是加热器的支撑框架。
接线板4是热流均匀性增强装置的重要组成模块，其作用主要是连接动力电缆，为石英灯供电。
耐高温隔热工装5是热流均匀性增强装置的重要组成模块，其作用主要有：(1)防止热量传递到待测试片的背侧面；(2)为待测试片提供绝热边界条件。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其特征在于，包括：弧型石英灯(1)、导引装夹弧轨(2)、加热器框架(3)、接线板(4)、耐高温隔热工装(5)、试片装夹位(6)；
所述弧型石英灯(1)的瓷头部位安装定位于导引装夹弧轨(2)的孔位上，导引装夹弧轨(2)固定于加热器框架(3)上；所述弧型石英灯(1)的引出线连接于接线板(4)，接线板(4)与动力电缆连接为弧型石英灯(1)供电，待测试片安装在试片装夹位(6)处；试片装夹位(6)位于耐高温隔热工装(5)的中心区域保证试片装夹在灯阵中心；
所述弧型石英灯(1)安装在导引装夹弧轨(2)上，形成了一个曲面型灯阵。
2.如权利要求1所述的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其特征在于，所述弧型石英灯(1)的灯管瓷头部分为方形平口结构，灯管的背向侧涂有高反射率陶瓷漆。
3.如权利要求1所述的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其特征在于，所述导引装夹弧轨(2)为月牙型造型，厚度为5mm，上面开有等间距的方形开口固定石英灯的瓷头部分，实现弧型石英灯(1)的安装固定。
4.如权利要求1所述的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其特征在于，所述加热器框架(3)由钢板焊接而成，其下端面开有通孔，通过螺栓能将其固定在地面平台上。
5.如权利要求1所述的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其特征在于，所述接线板(4)为黄铜板，其上开有螺纹孔用于安装石英灯导线的引出端，接线板的下端开通孔处用于连接动力电缆。
6.如权利要求1所述的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其特征在于，所述耐高温隔热工装(5)为厚度30mm的硬质硅酸铝陶瓷纤维隔热板，耐高温隔热工装(5)的耐温能力大于1500℃。
7.如权利要求1所述的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置，其特征在于，所述试片装夹位(6)的周围是耐高温隔热工装(5)以保证待测试片边界条件的隔热性。
8.一种如权利要求1-7任一所述的试片级石英灯加热器热流均匀性增强装置的设计方法，其特征在于，包括步骤如下：
将加热元件石英灯设计成圆弧构型并通过导引装夹弧轨(2)组装成空间凹曲面型状灯阵，提高灯管边缘位置及边缘灯管表面微元到试片表面微元的角系数，从而提高试片表面的热流均匀性；
灯阵与试片之间的角系数是影响试片表面热流均匀性的主要因素，灯阵微元表面dA1到试片表面微元dA2的角系数
Figure FDA0003723658380000021
其中：θ1为灯阵微元表面法线与两微元连线的夹角，θ2为试片微元表面法线与两微元连线的夹角，dA1为灯阵微元表面面积，r为两微元之间的距离。
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