【技术实现步骤摘要】
石英灯加热固体发动机壳体辐射与温度场计算方法及系统
[0001]本专利技术属于热辐射计算及传热学计算领域，主要涉及针对在辐射加热和大空间自然对流环境下的三维圆柱表面辐射热流密度及非稳态瞬态温度场的仿真计算，特别涉及一种石英灯加热固体发动机壳体辐射与温度场计算方法及系统。
技术介绍
[0002]固体火箭发动机(SRM)等高速飞行器及其部件在大气中超音速飞行时，大气摩擦及阻碍等因素会使得发动机壳体表面(以下简称为“表面”)产生强烈的气动加热效应，导致表面产生极高的温度与温升速率，影响飞行器的安全性能。随着国防工业与航空航天技术的发展，需要对大量不同型号与结构的高速飞行器进行地面结构热试验。
[0003]石英灯辐射加热法凭借热惯性小、成本低、便于控制功率与调整结构等优点，在高速飞行器地面结构热试验中，获得了广泛的应用。Turner等基于蒙特卡洛法(Monte Carlo method)模拟预测了带反射壁面的石英灯管的辐射热流分布(Turner T L,Ash R L.Numerical and experimental a...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种石英灯加热固体发动机壳体辐射与温度场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：针对多层环状排列的石英灯阵加热器及壳体试件组合，建立石英灯阵辐射物理模型，将物理模型抽象成数学模型；采用蒙特卡洛光子追踪法模拟计算到达试件表面每个网格的光子总数；根据单个光子的平均功率，通过辐射场模拟计算获得多层石英灯阵加热器对壳体表面的辐射加热热流密度分布；将辐射加热热流密度分布结果作为边界条件，与多种传热过程相耦合，通过交替方向隐式方法计算三维柱体内部及表面的瞬态温度分布数据。2.根据权利要求1所述一种石英灯加热固体发动机壳体辐射与温度场计算方法，其特征在于：针对多层环状排列的石英灯阵加热器及壳体试件组合，建立石英灯阵辐射物理模型，具体包括：确定光子传播过程中的绝对坐标系和旋转坐标系及其变化关系；以壳体底面或者某一参考灯管底面的中心为坐标原点；确定光子在界面间传播、入射、反射和折射的几何处理方程，用数学方程完整地描绘光子从发射到到达壳体表面的运行历程；在选定的坐标系下，描述光子的发射坐标和发射方向，计算一个光子从灯丝发射，经历反射、折射、吸收和再发射过程后到达表面的交点坐标。3.根据权利要求1所述一种石英灯加热固体发动机壳体辐射与温度场计算方法，其特征在于：采用蒙特卡洛光子追踪法模拟计算到达试件表面每个网格的光子总数，需要对于壳体表面的网格化处理，具体为：针对壳体表面的几何形状划分均匀网格，并按照网格数定义适当大小的总光子数，网格尺寸为0.1mm
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0.1mm；模拟计算中设定的总光子数应为网格总数的300倍以上。4.根据权利要求1所述一种石英灯加热固体发动机壳体辐射与温度场计算方法，其特征在于：采用蒙特卡洛光子追踪法模拟计算到达试件表面每个网格的光子总数，具体包括：循环计算大量光子的运行轨迹，统计到达表面每一个网格的光子总数，要求光子总数符合统计学要求；判断方法是：当成倍增加总光子数时，每个网格上光子数也近似呈相同倍数增长，且采用随机数多次模拟计算的结果近似相等。5.根据权利要求1所述一种石英灯加热固体发动机壳体辐射与温度场计算方法，其特征在于：通过辐射场模拟计算获得多层石英灯阵加热器对壳体表面的辐射加热热流密度分布，具体包括：针对于辐射波段较窄的石英灯：假设每个光子携带的能量相等；获得了落入壳体表面每个网格的局部光子数后，按照单个光子的平均功率以及壳体表面的吸收率，将光子数转化为壳体表面吸收的能量值；结合网格微元的面积，获得多层石英灯阵加热器对一定位置的壳体表面的局部辐射加热热流
密度；针对多层环状排列的尺寸和规格相同、排列相似的石英灯管：假设每一根石英灯产生的辐射分布情况相同，依据其余灯管的相对位置，将获得的一根灯管的热流分布场进行旋转、平移并叠加，获得完整的辐射场结果矩阵；针对不同发热功率的石英灯层，将光子数转化为能量的步骤中，改变石英灯功率的参数，获得不同加热功率下多层石英灯阵对壳体表面的辐射加热热流密度。6.根据权利要求1所述一种石英灯加热固体发动机壳体辐射与温度场计算方法，其特征在于：所述通过交替方向隐式方法计算三维柱体内部及表面的瞬态温度分布数据，具体包括以下步骤：对被加热的壳体进行建模；在柱坐标下，根据控...
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