一种加热涡轮叶片的辐射模拟方法、系统与计算机设备

本发明涉及辐射模拟，特别涉及一种加热涡轮叶片的辐射模拟方法、系统与计算机设备。

背景技术：

1、近年来，在对涡轮叶片或类似体积较小试验件的加热模拟过程中，气动加热和热辐射加热是航空航天领域热性能测试的两种主要方法。气动加热方式通过高温高速风洞和燃气加热装置模拟空气动力加热环境，电磁感应加热方式是一项非接触式加热技术，可以不与被加热物体之间接触而使其加热升温，具有加热效率高、能耗低、体积小、可局部加热、无污染等众多优势，使其具有了非常广泛的应用领域。但是根据现有的研究来看，燃气试验台尾焰加热准备周期长，涉及资源众多，使用成本较高。而电磁感应加热时感应器产生的强烈的电磁场会干扰附近的传感器和振动台系统，不利于后期测试；加之涡轮叶片的结构及热边界条件十分复杂，感应线圈形状难以确定，难以在涡轮叶片整体面积尺度上模拟实际的热载荷。

2、热辐射加热方式具有加热时间长、加热功率高、多区控制等竞争优势，已成为全面热工性能试验的有效和广泛应用的方法，热辐射加热器包括石墨元件加热器、太阳能炉、石英灯、氙灯。石英灯加热器具有热效率高、寿命长、热惯性小、便于电控的特点，非常适合模拟瞬变的气动加热温度；同时其尺寸小、功率大，便于根据不同试验产品加热外形进行拼接，在实现小体积试件局部温度精准控制的同时可以确保较大的加热面积。

3、现有技术的缺点是，传统的以灯阵中各灯位置为优化参数的优化方法已不能满足快速改变涡轮叶片表面的辐射热流需求。石英灯阵在涡轮叶片表面的辐射热流与石英灯阵位置、高度、排布方式、石英灯功率等参数有关，调节灯阵的几何参数例如位置、高度、需要一定的时间进行调试，灯阵也需要重新布置，在非均匀气动热试验中通常需要在短时间迅速改变测试表面的辐射热流分布，传统方法就面临着费时、费力的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种加热涡轮叶片的辐射模拟方法、系统与计算机设备，以解决现有技术中调节灯阵的几何参数例如位置、高度、需要一定的时间进行调试，灯阵也需要重新布置，在非均匀气动热试验中通常需要在短时间迅速改变测试表面的辐射热流分布，传统方法就面临着费时、费力的问题。

2、本发明具体提供如下技术方案：一种加热涡轮叶片的辐射模拟方法，包括如下步骤：

3、获取加热涡轮叶片已知辐射接收面的辐射通量密度；

4、利用 n支灯管构建石英灯阵列，并获得每支灯管对于加热涡轮叶片上第 j个测点的相对位置信息；

5、对所述石英灯阵列和相对位置信息进行矩阵转化，并根据矩阵转化后获得的石英灯阵列矩阵与相对位置信息矩阵获得测点的辐射热流关系，基于所述辐射热流关系获得功率线性方程组；

6、将所述辐射通量密度输入功率线性方程组中，获得石英灯管阵列中每根灯管的功率；

7、通过调整所述每根灯管的功率，对所述辐射接收面上的热流分布进行改变，进行加热涡轮叶片的辐射模拟；其中热流分布为辐射通量密度的体现。

8、优选的，所述获取加热涡轮叶片已知辐射接收面的辐射通量密度，包括如下步骤：

9、获取灯管的热功率、表面面积及光线沿传播方向的立体角，获取辐射通量和辐射通量密度，具体表达式为：

10、。

11、其中， i l为辐射接收面上的辐射通量；n为灯管的热功率； a n为灯管表面面积；为沿辐射传播方向的立体角，为辐射通量密度； t为单位时间，为在单位时间内沿辐射传播方向的立体角。

12、优选的，所述利用 n支灯管构建石英灯阵列，具体表达式为：

13、。

14、其中， h j为石英灯阵列中第 j支石英灯的功率； q ij h j为石英灯阵列中第 j支石英灯在第 i个测点上的热流，q ij为第 j支灯管对于第 i个测点的相对位置信息； b i为第 i个测点上的辐射热流。

15、优选的，所述获得每支灯管对于加热涡轮叶片上第 j个测点的相对位置信息，具体表达式为：

16、。

17、其中， q s为辐射接收面某点所接收到的单排石英灯阵列的辐射热流量； p为辐射接收面某点； q0为灯管的热功率； h p为灯管距离辐射接收面点 p在垂直方向上的距离； l为灯管灯丝实际加热长度；, α p为 p时的 α值， β p为 p时的 β值， γ p为 p时的 γ值， y为辐射接收面某点距离灯管 y方向的距离， x为辐射接收面某点距离灯管中心处 x方向的距离， n为灯管数量。

18、优选的，对所述石英灯阵列和相对位置信息进行矩阵转化，具体表达式为：

19、。

20、。

21、。

22、其中，q为相对位置信息矩阵， h为石英灯阵列中石英灯的功率，b为 m个测点的辐射热流的行列式。

23、优选的，所述根据矩阵转化后获得的石英灯阵列矩阵与相对位置信息矩阵获得测点的辐射热流关系，基于所述辐射热流关系获得功率线性方程组，具体表达式为：

24、。

25、。

26、其中，b为系数矩阵；c为b左乘q的转置。

27、优选的，若功率线性方程组中，且系数矩阵b满秩，则所述功率线性方程组存在唯一解，通过获得石英灯阵列各灯管功率。

28、优选的，所述进行加热涡轮叶片的辐射模拟后，还包括如下步骤：根据横向热流分布与目标正态分布曲线上各点间距，以及所述间距与目标热流值关系获得相对误差，具体表达式为：

29、。

30、其中，为相对误差，为横向热流分布，为目标正态分布曲线上各点坐标。

31、本发明提供一种加热涡轮叶片的辐射模拟系统，包括：

32、采集模块，用于获取加热涡轮叶片已知辐射接收面的辐射通量和辐射通量密度；

33、位置信息获取模块，用于利用 n支灯管构建石英灯阵列，并获得每支灯管对于加热涡轮叶片上第 j个测点的相对位置信息；

34、线性方程组获取模块，用于对所述石英灯阵列和相对位置信息进行矩阵转化，并根据矩阵转化后获得的石英灯阵列矩阵与相对位置信息矩阵获得测点的辐射热流关系，基于所述辐射热流关系获得功率线性方程组；

35、功率获取模块，用于将所述辐射通量密度输入功率线性方程组中，获得石英灯管阵列中每根灯管的功率；

36、模拟模块，用于通过调整所述每根灯管的功率，对所述辐射接收面上的热流分布进行改变，进行加热涡轮叶片的辐射模拟；其中热流分布为辐射通量密度的体现。

37、本发明提供一种计算机设备，包括存储器及处理器，所述存储器中储存有程序，所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述一种加热涡轮叶片的辐射模拟方法的步骤。

38、与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

39、本发明通过构建石英灯阵列，获得石英灯阵列中每个灯管对于测点的相对位置信息，并通过石英灯阵列的矩阵形式进行相对位置信息获得测点的辐射热流关系，基于辐射热流关系获得功率线性方程，不需要改变调整石英灯阵的几何参数，通过功率线性方程与辐射通量密度的关系即可获得每个灯管的功率，且只需通过改变石英灯阵功率来改变辐射表面的热流分布，操作简单方便，以满足辐射热流分布需求的时效性和迅速性，在试验中更快的按照要求改变辐射表面的热流分布。