石墨加热器辐射加热特性研究及优化设计

作     者：陈浩 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何雪涛

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：地面热试验 石墨加热器 辐射加热 优化设计 

摘      要：随着航空航天领域技术的快速发展,以可重复使用飞行器、天地往返运输系统和高马赫数武器等为代表的高超声速飞行器的应用愈发广泛。高超声速飞行器相较于传统飞行器会受到更加复杂的气动加热,仅靠解析法难以准确计算其所受热环境,需要在地面开展飞行器结构热试验。 目前,国内外结构热试验中热载荷施加装置主要有石英灯加热器和石墨加热器,其中石墨加热器在加载功率相同时具有更高的加热能力,但针对石墨加热器加热效果的研究和应用仍处于起步阶段。本文对石墨加热器的辐射加热特性进行了数值模拟研究和优化设计,对冷却系统和石墨元件寿命的改善进行了探索,以提升加热器的辐射加热效果。主要研究内容如下: 1.通过对热试验的原理及技术进行分析,基于现有试验能力对石墨加热器尺寸及石墨元件形状进行了设计,以石墨元件主体加热长度420mm,石墨元件数量为12根的加热阵为基础,通过对比圆形截面、长方形截面、正方形截面及圆环形截面4种常用截面石墨元件温度分布及辐射加热热流,确立了正方形截面石墨元件为最佳截面的方案。 2.本文使用ANSYS软件对石墨加热器的辐射加热特性进行了模拟和优化,分析了空气对流系数和试验件尺寸对辐射仿真的影响,通过研究各部件几何位置对辐射加热的影响,确立了石墨间距为10mm、石墨安装距离为25mm以及试验件位置为40mm的几何优化方案;在此基础上,通过分析反射板表面温度、反射板内侧表面发射率以及反射板加装肋板的结构形式对辐射加热效果的影响,得出反射板内侧表面发射率对辐射加热的影响较为显著且影响程度随试验件位置减小而增大;通过对比优化前后的石墨加热器方案得出,优化方案能够将鼻锥驻点处最高温度提升17.33%,验证了优化方案的有效性。 3.在现有冷却方案的基础上设计了改进模型,使用Fluent软件研究了改进后水冷电极和反射板的冷却效果。改进后加装隔板的水冷电极和内部加装串并联流道的大模块反射板方案能够更好满足加热器冷却需求。 4.针对石墨加热器在地面热试验中使用时存在石墨氧化变形而影响石墨元件使用寿命的问题,本文结合实际使用经验,通过结构设计层面对石墨元件主体加热部分展开优化设计,提出一次曲线、二次曲线及正弦曲线三种优化方案并进行了模拟分析,对比结果中加热元件的不均匀度等因素,确立了中心线处最大厚度为17.5mm的二次曲线优化方案为最优解。