标题 | 基于COMSOL的HID灯物理模型 |
范文 | 巩媛 摘要:高強度气体放电(HID)灯是一种节能型电光源,被广泛应用于道路、机场、景观、场馆等中大功率照明场合。本文依据HID灯的放电原理,按照COMSOL的建模流程,建立HID灯二维模型,通过仿真得到HID灯的内部温度分布情况,为准确研究HID灯的内部物理过程提供了有效途径。 关键词:COMSOL;高强度气体放电灯;模型 中图分类号:TH133 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2017)04-0214-02 1 引言 目前,在工程实际中,很多多物理场耦合作用下的实验还不具备开展条件,且无具体的理论指导设计,必须采用数值仿真的方法来研究和测评[1,2],因此,本文以COMSOL Multiphysics(以下简称COMSOL)为工具,建立高强度气体放电灯的COMSOL模型。利用COMSOL高效的计算性能能力和独特的多场全耦合分析能力,保证了数值仿真的高度精确[3]。 2 COMSOL建模流程 COMSOL中使用“模型树”来控制整个建模流程,是一个动态的而且逻辑性很强的控制工具,在模型创建工程中,沿着模型树的节点和分支进行即可。COMSOL建模的步骤主要有几何建模、物理场施加、网格剖分、方程和边界参数的设定、求解以及后处理。以下着重介绍几何建模、物理场分析和网格剖分。 2.1 几何建模 高强度气体放电(HID)灯是一种节能型电光源,具有高光效、高显色性、高亮度、高通量和寿命长等优点,是最有应用价值的大功率光源之一,被广泛应用于道路、机场、景观、场馆等中大功率照明场合。 在COMSOL 中,有多种方法绘制几何模型: (1)直接绘制几何对象:直接通过内置的绘图工具。 (2)CAD导入:用户可直接导入事先设计好的几何模型,并且COMSOL提供与PRO、SolidWorks和Inventor的双向实时连接,COMSOL还进一步提供对CAD几何模型的修改功能,用户可在导入之后根据需要进行修改。 (3)利用脚本编程建模:COMSOL还提供与MATLAB完全兼容,支持利用数学公式直接编写脚本建模,也可使用实验数据甚至图像数据直接建模。 HID灯主要由电极和燃烧器组成,燃烧器是位于玻璃灯泡内部,处于真空状态,燃烧器的材质是多晶铝(PCA),电极的材质是钨[4]。运用COMSOL软件,建立HID灯的二维轴对称模型如图1所示。 图1 典型的HID灯结构及其二维几何模型 2.2 物理场分析 HID灯的内部物理过程涉及电、热、流等物理场,可用相应的物理方程描述。 燃烧器区域内导电介质的电场方程为: 式中[V]表示静电势,[σ1]表示受温度和压力影响的气体的导电性。 燃烧器区域的边界条件方程为: 式(2)也称为诺伊曼边界条件。[J0]表示内部的电流密度,作用于电极尖端,作用是确保电极尖端是同性质的电流,取上端电极为正值,下端电极为负值。电极和灯墙的侧面定义为绝缘[J0=0]。 灯内的温度分布方程为: 式中[κ]表示热导率,[T]表示温度,[ρ]表示质量密度,[U]表示速度向量,[CP]表示固定压力下热容,[Q]表示热源密度。 热源密度[Q]由下面方程计算所得: 式中[q]是由插值函数定义的,用于表示辐射损失。 质量密度[ρ]由以下方程得出: 式中[p]表示气体的静态压力,[M]表示气体的摩尔质量,[R]表示理想的气体常数。 燃烧器位于玻璃灯泡内部,处于真空状态,不受外界空气的热传导和热对流的影响,其热损失主要通过热辐射方式,故燃烧器墙壁的外表面的热通量为: 式中[σ2]表示玻尔兹曼常数。 燃烧器区域中的流体速度场由以下方程所得: 式中[η]表示流体的粘度,[F]表示体积力,[I]表示单位算子[5]。 2.3网格剖分 COMSOL Multiphysics在有限元计算过程中,必须将建立的模型划分为较小的单位进行求解,这个过程称为网格剖分。网格剖分的疏密程度直接影响计算结果的准确度,然而,并不是网格划分越密越好,网格划分越密意味着网格单位的数量越多,这样计算时间就长。 3 仿真结果 仿真结果表明:该仿真结果得到的HID灯温度分布图与真实的HID灯温度分布接近,从图中可以看出HID灯内温度最高点出现在电极尖附近,两电极尖直接的温度远远高于其他区域,在灯壁附近电极温度最低。 4 结论 以上仿真温度与实验测得HID灯内的温度比较贴近,说明该物理模型准确可靠,具有一定的可借鉴意义,为HID灯内部物理过程的研究提供了一种有效的途径。 参考文献: [1] 杨鼎宁,邹经湘,盖登宇. 计算机辅助工程(CAE)及其发展[J]. 力学与实践,2005,(3)7-16. [2] 王尧.油膜轴承巴氏合金与钢体的结合强度理论与试验研究[D].太原科技大学,2014. [3] Teich L, Hütten A, Schr?der C. Utilization of COMSOL Multiphysics' JAVA API for the Implementation of a Micromagnetic Modeling and Simulation Package with a Customized User Interface[C]//COMSOL Conference Europe, Mailand. 2012. [4] Toumi A, Chhun L, Bhosle S, et al. Acoustic resonance characterization and numerical model including acoustic streaming in an HPS lamp[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, 49(3): 1154-1160. [5] Schwieger J, Baumann B, Wolff M, et al. Backcoupling of acoustic streaming on the temperature field inside high-intensity discharge lamps[C]. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2015, 655(1): 012045.
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