光线追踪在系统热辐射排故分析中的应用.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n光线追踪在系统热辐射排故分析中的应用张初旭(辽宁装备制造职业技术学院,辽宁 沈阳 )摘要:针对有源系统光线在传输过程中因辐射产生的聚焦问题,引入光线追踪的方法,并结合辐射换热计算的理论,研究了聚焦点产生的温度及其分布区域,并通过实例及模拟结果的对比分析,验证该方法的可行性.结果表明:采用光线追踪分析热辐射中产生的聚焦问题,可为产品开发过程中部件的空间布置、表面处理、材料定义、结构设计等提供仿真支持,避免产生灼伤问题.关键词:热分析;热辐射;光线追踪;聚焦;灯具中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()R a yT r a c eA p p l i c a t i o nD u r i n gC h e c kD e f e c t i nS y s t e mT h e r m a lR a d i a t i o nA n a l y s i sZ h a n gC h u x u(L i a o n i n gE q u i p m e n tM a n u f a c t u r i n gV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g e,S h e n y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:F o c u s e do n t h e d e f e c t o f l i g h t f o c u s i n t h e l i g h t s o u r c e s y s t e mc a u s e d r a d i a t i o n t h e r m a l t r a n s f e r,o n t h e b a s eo f r a d i a t i o nh e a t e x c h a n g e t h e o r yc a l c u l a t i o n,t h ep a p e r i n t r o d u c e dt h em e t h o do f r a yt r a c et or e s e a r c ht h et e m p e r a t u r ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o n a r e a o f f o c u s p o i n t B y c o m p a r i n g t h e s i m u l a t i o nd a t aw i t h t h e s a m p l e,v a l i d a t e t h e f e a s i b i l i t yo f r a yt r a c em e t h o d T h e r e s u l t s h o w s t h em e t h o d a b o v e c o u l dh e l p t og i v e t h e s u p p o r t t o s p a c e d i s t r i b u t i o n,s u r f a c e t r e a t m e n t,m a t e r i a l c o n f i r m a t i o na n ds t r u c t u r ed e s i g na n da v o i d t h ed e f a u l t o f l i g h t f o c u sd u r i n gp r o d u c t d e v e l o p m e n t K e yw o r d s:T h e r m a l a n a l y s i s;T h e r m a l r a d i a t i o n;R a yT r a c e;A u t o m o b i l e l a m p基金项目:辽宁省教育厅 年度科学研究经费项目(面上项目):汽车前照灯热学设计关键技术仿真研究(L J K Z )作者简介:张初旭(),女,汉族,吉林省双辽市人,硕士,讲师,研究方向:汽车灯具、汽车发动机.光 就 本 质 而 言 是 一 种 电 磁 波,其 频 率 在 H z H z,波长在 u m u m之间,分为红外光、可见光和紫外光.人眼可识别的可见光,其频率在 x H z x H z,波长在 u m u m之间,是本文研究的光波范围.几何光学里,光源发出的光被抽象为无数带有方向的直线,即光线,其方向代表光的传播方向.在物理光学里,光具有波粒二象性,几何光学实际上是波长趋于零时物理光学的一种近似.光在传输过程中,因粒子的波动而携带能量,并以电磁波的方式传递热量,也使光波具有了几何光学和物理光学的双重属性.在热学领域,热射线与光线有相同的属性,同样遵守光的直射、反射和折射定律.光线也就是热射线,在有源系统内部传输时,经过光学元件的折射、反射改变其传播方向,以满足光学系统的设计要求.除平行光外,不可避免会存在光线的交叉、汇集.而聚焦区域的热量相对于平行光束的热量会更集中,温升更大,从而导致零部件的灼伤,对聚焦区域内零部件的材质、结构、表面处理及耐久性能提出了更高的要求.为避免聚焦的产生,现阶段通行的解决方案是制作样件,通过台架试验的方法验证.针对试验后产生灼伤的零部件再进行设计优化,包括其空间位置、材料等级、表面处理、结构特征等.本文研究使用光线追踪的方法,用计算机仿真求解极限温度,定位聚焦区域,以此作为设计的输入边界,在设计阶段提前识别聚焦点区域,直接考虑结构避让,避免灼伤的发生.理论基础 热辐射 光源的投射辐射源项计算光源向外界的辐射传热过程属于典型的光热传输物理模型,可通过普朗克定律结合特定的发射光谱谱段,计算获得其向外界的辐射热量.光源辐射的物理过程与光波的单色性密切相关.卤素灯泡发射的波长比较宽,基本可以覆盖可见光的所有波长.而L E D光源,光色有白光、红光、黄光.白光通常是蓝光L E D照射到黄色荧光粉上,混合成白光,所以白光L E D是两种波长,而红光和黄光L E D则属于单色光.不同的光源,根据其不同的辐射特性不同辐射的能量也存在差异.假定光源表面为黑体,其光谱辐射力的计算表达式如下:Eb ce x pc/(T)()式中,E为黑体的光谱辐射力,T为光源表面的温度(开尔文),ch c为第一辐射常数,ch c/k为第二辐射常数.h为普朗克常数,k为波尔兹曼常数,c为真空中的光速.根据各光源的波长,光源向外界总的辐射能量可以通过谱段积分获得.EbEb d()式中,为光源发射波长的下限,为光源发射波长的上限.因光源对腔体内壁面的加热作用是以恒定辐射热源发射定向光线的方式产生,经光线追踪统计系统内每个面元吸收的辐射能束数,可以获得腔体内任一表面i接收的光源投射辐射源项G,为 年第 期Go,iNiNEb()式中,N为光源发射的总能束数,Ni为腔体内表面,i吸收的辐射能束.腔内表面间辐射换热量计算系统腔内辐射换热过程本质上为带有辐射源的封闭系统内辐射换热问题.本文采用净热量法计算 获得面元之间的净辐射换热量.假定封闭系统由n个漫灰面元构成,取其中任意的面元;可以列出表征当前面元的投射辐射热流qi n c,i有效辐射热流qe f f,i和净辐射热流qi,的计算表达式.qi n c,inkqe f f,kAkFk,iGo,iAi()qe f f,ii Ti(i)nkqe f f,kFi,kGo,i()qiqe f f,iqi n c,i()式中,A为各面元表面面积、F为面元之间角系数,为表面发射率,为斯蒂芬玻兹曼常数.对于系统中的每一个面元都能列出以上个方程,共n全方程,在热分析迭代计算中,知道上一步计算中的各表面温度T,可以求解该方程组,获得n全未知量,即n个g、n个g和n全g并与能量方程顺次选代,直至收敛.计算获得表面间的辐射换热量qi后,根据热阻公式可得到每个部件的温升 T,参考环境温度,比较部件温度与材料的极限值,以此作为材料选择的依据.光线追踪根据光线传播三定律(直线传播、反射定律和折射定律),由光源发出的光到达物体表面后,会产生反射和折射,光沿着反射方向和折射方向继续前进,直到遇到新的物体.但光源发出的光线,经过反射与折射,只有少部分可以进入人的眼睛.因此实际光线追踪算法的追踪方向与光传播的方向是相反的,称之为视线追踪.图是由两个透明球C,C和一个非透明球C组成的场景进行光线跟踪.首先,从视点出发经过视屏一个像素点P的视线E传播到达C,与其交点为P.从P向光源L作一条阴影测试线L,发现未被遮挡,那么结合光照明模型可以计算该点的局部光强.跟踪该点处反射光线R和折射光线T,它们也对P点的光强有贡献.在反射光线R方向上,没有再与其他物体相交,那么就设该方向的光强为零并结束这光线方向的跟踪.然后对折射光线T方向进行跟踪,计算该光线的光强贡献.折射光线T在物体C内部传播,与C相交于点P,由于该点在物体内部,我们假设它的局部光强为零,同时,产生了反射光线R和折射光线T,在反射光线R方向,可以继续递归跟踪计算它的光强.对于折射光线T物体C交于点P,作P与光源L的阴影测试线L,被遮挡,为阴影.由于该物体是非透明的,那么继续跟踪反射光线R方向的光强,来得到P处的光强.反射光线R的跟踪与前面的过程类似,算法可以递归的进行下去直到光线满足跟踪终止条件.这样就可以得到视屏上的一个象素点的光强.在上述追踪的基础上,选用蒙特卡洛算法对光线进行采样,通过概率理论,使用半球积分方式进行近似的简化,使模型通过少量相对重要的采样来模拟积分,充分逼近光线在整个系统内的分布.图光线追踪的模型追踪模型中的光线在整个传输的过程中,其携带的热量也在系统范围内进行传递,光线的追踪其实就是热射线的追踪.而系统内不同部件因材质的选择、位置关系、形状尺寸及表面处理方式的差异,导致热阻、表面积A、角系数F及表面发射率的不同.根据公式()、()、(),计算所得的辐射换热量也存在不同,进而形成部件温度的差异.热辐射的研究方法由于辐射强度是波长、温度、空间位置坐标、角度方向、表面发射率等变量的函数,在三维半透明介质中,辐射强度是七维变量的函数,一般难以获得理论解,多数情况下只能通过数值计算的途径进行近似求解随着高速计算机的普及,目前已发展起来的辐射传递方程数值求解方法主要可以分为以下两类:)基于射线跟踪的方法.如区域法、蒙特卡洛法和离散传递法,缺点是计算量比较大,不适合用来与热流体问题中的其他过程进行耦合计算.)基于微分形式辐射传递方程全局离散的方法.类似于一般偏微分方程的离散和求解,如离散坐标法、有限体积法、有限元法、谱元法、无网格法等.这类方法计算速度较快,适合与对流和导热过程耦合计算.随着近年来计算机技术的发展,计算量已经不再是问题.在 年发表的论文辐射传热蒙特卡洛法计算精度的精确评价及数值试验研究中,作者详细的说明了采用蒙特卡洛射线跟踪方法的计算精度的问题.这种方法经过十几年的发展,其求解的精确度、准确度在大量的试验对比中得到了广泛的验证,也得到业内充分认可.而且,此次研究只关注辐射热量,所以,本文选用了蒙特卡洛射线跟踪的方法进行研究.光学仿真凸透镜具有聚焦特性,为定量研究光线追踪与辐射热的关系,选择一款灯具的透镜模组作为模型进行模拟仿真.其结构形式如图所示.)衬框)透镜)透镜支架)反射镜)遮光板)灯泡HB 图近光透镜模组内燃机与配件w w w n r j p j c n假设灯具腔体是一个系统,作为典型光热模型的光源,即是热源,也是光源,发出的光线经过光学系统反射、折射的传播过程,既是规定光型的追踪路径,也是辐射热量仿真的依据.在论文L E D近光灯的高效自由曲面反射镜和基于自由曲面微透镜的摩托车L E D前灯中,两位作者都对灯具配光中的光线设计方法进行了详细的理论推导和模拟对比.如图,位于椭圆反射镜第一焦点的光源发出的光线经过反射,到第二焦点,再经过透镜两次折射后平行出射至 m处的光屏.图为E C E 规定的 m屏幕的光型及需满足具体照度值的测试点.图透镜原理图图E C E近光光型图为保证模组的出射光满足E C E法规,需对椭圆反射镜、非球面透镜的参数进行设计.设计参数的变化实质上是调整反射及折射光线的方向,改变其传播路径,使 m屏与光线交点的密度分布发生变化,从而形成不同照度的测试点及光型.根据光线三定律及光线追踪模型,计算机便可以追踪光线在光源及 m屏之间的路径.如图,利用光线追踪的方法,建立光源的发射光线与屏幕光斑的对应关系.(a)光线追踪位置()(b)光线追踪位置()(c)光线追踪位置()(d)光线追踪位置()图反射光线与屏幕光斑对应关系热学分析 热学仿真热学分析是在光学设计完成的基础上,追踪光线的传输路径,检查辐射热量的传递,发现聚焦点的过程.所以仿真之前需确认模组是光学设计合格的真实数据,这样才能保证经过反射和折射的光线路径是真实,辐射热分析的过程中热量的传输是准确的,对图模组中标识的零件赋予材质如表.表透镜模组B OM表序号名称材质安全温度数量备注衬框P C 透镜石英玻璃 透镜支架F e 反射镜A D C 漆面 遮光板F e 灯泡H B 钨丝/石英玻璃 /虽然热分析软件提供了分析计算的平台,但材料库的建立及各仿真参数的赋值还是需要根据各企业的工艺水平,依据大量的试验数据作为支撑.在上述的近光透镜模组中,件反射镜选用A D C 表面喷漆镀铝工艺,反射率设定为 ,透射率为.件透镜选用的石英玻璃,因在其前后端面光线发生了两侧折射,每次折射设定 的表面透射率,透镜的后端面进行钝化处理,反射率为.对于件衬框会依据表面处理方式的不同,反射率从 到不等,透射率均为.对于透镜支架及遮光板等金属部件在软件自带的数据库中可以直接选取,不需要再建数据库.根据基尔霍夫定律,可以计算出各部件的表面发射率.对于光源的设定相对比较复杂.根据热量的三种传递方式辐射、对流、传导对不同光源的实验测定比例分布如图.图各种光源热量传递比例对比卤素光源的功率在 W W之间,辐射热量的占比为 ,所以辐射热量的分析需要去除传导和对流及可见光部分的损耗.另外,在透镜系统中光源被设定为辐射表面,但与件反射镜的辐射表面属性不同,应设置为白壁件,反射率为 .根据建立的模型及数据库参数,仿真数据,结果如图.如箭头所示,衬框的最高温度达到了 ,对比表中的安全温度 ,超标 .图近光透镜模组热学模拟温度列表 年第 期模型温度分布如图,检查衬框的蓝色及绿色区域温度在 之间,红色超温区域集中在衬框的下方边缘处.图近光透镜模组热学模拟结果在衬框温度聚集处做切面,并追踪辐射光线的路径如图.图近光透镜模组光线追踪剖面图 实物测试及原因分析点亮实物透镜,光线分布如图(a).高温点亮试验后,衬框发生的质量缺陷如图(b).(a)透镜点亮效果图(b)透镜样件拆解图图 近光透镜模组实物点亮拆解图检查图的光线追踪路径,在衬框下方边缘处光线不是以平行轴线的方向出射,而是产生了聚焦.对比图(a)的实物点亮效果,亮斑也出现在透镜下方位置.而实物衬框出现灼伤问题的位置,也与模型仿真的温度分布(图)相对应.解决方案通过数据的光线追踪分析,产生衬框灼伤质量缺陷的原因是光线聚焦,针对聚焦区域采取的解决方案如下:空间布置:加大透镜与衬框的轴向距离,减小衬框该区域的角系数F;检查衬框与透镜顶点的轴向距离为 mm,增加到 mm.结构更改:更改局部结构,避让聚焦区域;改变衬框的断面结构如图.图 衬框结构调整表面处理:衬框表面由 黑色喷漆(吸收光线)改为镀铝,使灼伤部位的聚焦光线在该区域再发生反射,减小该区域的表面发射率;材料更改:选择耐温能 力更好的材料.对四种方案分别进行模拟仿真,结果见表.因结构更改后降温不理想,尝试结构更改表面镀铝的组合方案,仿真结果如表所示.降温得到改善,在不选用耐高温材料,不增加制件成本的情况下,在现有材料不变的情况下,可以避免辐射灼伤的发生.表优化方案结果对比项目空间布置结构更改表面镀铝 高温材料结构更改表面镀铝衬框温度m a x 缺点外观不完美 降温不理想成本提高模拟结果O KO KO KO KO K结论本文讨论了结合光线追踪的方法解决热辐射分析过程中产生的聚焦问题.根据仿真和试验结果,对因热量聚集而产生表面灼伤的零件进行了改进方案的对比分析,结论如下:在系统的热辐射分析中引入光线追踪的方法,为探测聚焦点形成的位置区域及温度变化提供了一种解决方案,为设计过程中的材料选择及结构设计提供仿真数据的支持;结构避让.根据仿真结果,尽量在热辐射聚焦点位置避免出现结构部件,防止灼伤.综合各种方案,协同解决聚焦问题.从影响热辐射的表面积A,角系数F及表面发射率等综合角度考虑解决方案.例如结构更改表面镀铝的组合方案,加大降温幅度.参考文献:谈和平,刘林华,等计算热辐射学的进展J科学通报,:()胡玉禧,安连生,等应用光学M中国科学技术大学出版社,:王丹丹,等华中科技大学 博士论文 辐射传热蒙特卡洛法计算精度的精确评价及数值试验研究J华中科技大学 王庆利,姜晓彤,赵正旭,等对辐射度算法中形状因子计算方法的改进及应用J现代电子技术,()张宪民,等 L E D近光灯的高效自由曲面反射镜J照明研究与技术,():葛鹏,等基于自由曲面微透镜的摩托车L E D前灯J照明研究与技术,():关于批准发射不对称远光和/或近光和装有L E D的机动车前照灯,R S欧洲经济委员会,K e m a lF u r k a nS k m e na,E m r a hY r k l b,N u r e t t i nY a m a n k a r a d e n i zc,等圆柱形散热片设计参数的计算热分析及定义L E D汽车前照灯散热片结构的新方法J应用热工程,():