电子枪热分析-面面辐射及面环境辐射

这是 ANSYS 工程实战 第 28 篇文章

问题描述：

热分析中的面面辐射及面环境辐射一直是个头疼的问题，尤其是在实际案例仿真中即要考虑接触热阻，又要进行面面辐射设置，还要设置正确的辐射系数，有一个设置不当或选用不合理，仿真结果与实际工程过程中测得结果差异特别大，这是怎么回事呢，如何设置呢，这里及后续我会把自己最近做的一些内容和大家陆续进行分享，我们可以共同进行讨论。

1. 电子枪仿真模型及前期设置

实际电子枪 模型不方便以图片形式展示，电子枪 模型主要包括控制极、控制极支撑件、小枪壳、阴极定位件、外热屏、热子引线固定筒、阴极支撑筒定位件、镍管、热子瓷、内热屏、阴极饼、钼筒、热丝等等。

镍管与热丝连接处要进行模型处理，热丝模型比较复杂，可以按体积等效建模，热丝等效后的有限元模型如图 1。

图 1 热丝有限元模型

网格设置：有限元各部件设置不同大小的网格，为了使仿真结果误差较小，需进行网格收敛。收敛后网格数量为 354528，阴极饼、阴极筒、内热屏和热丝网格做精细划分，其他结构根据运算量做适当调整。网格大小及映射设置可参看ansysworkbench 六面体网格划分 。

图 2 收敛后网格大小设置

part 和接触设置：我们先假设电子枪各部分是充分焊接的，所有体设置一个 part，不设置接触热阻，可比较不同结构热屏筒对阴极功耗的影响；

如果分析焊接情况对电子枪功耗的影响，我们可以在热屏筒和阴极，热屏筒和阴极支撑件之间设置接触，电子枪零件之间的接触热导率一般 10-3 与 10-4 W/(mm^2 ℃) 量级，因为其他部分的接触对阴极功耗影响相对较小，这个可以进行分析比对进行验证。

辐射系数及设置：电子枪中封闭的空间进行面面辐射设置，裸 露的部分进行面环境辐射设置。面环境辐射的具体设置如图 3。

图 3 面环境辐射设置

面面辐射设置如图 4，每组面面辐射Enclosure 设置不同的值，同一组辐射设置相同的 Enclosure 。

图 4 面面辐射设置

各组辐射设置如图 5 ，同种材料设置相同的辐射系数，辐射系数的大小和使用辐射仪器测的有差别，主要考虑测试辐射系数用零件与实际装配用零件加工及表面结构存在差别，不能完全用测试的辐射系数，应根据计算调整出一组自己适用的参数，同时用在其他结构的电子枪中也没太大差异 。

图 5 各种辐射对辐射系数及辐射组

温度载荷及环境温度：电子枪工作的环境温度为 25℃ ，电子枪功耗 5W 以热生成加到热丝上。

2. 仿真计算

面环境辐射计算时间比较短，可能几分钟就完成计算了，但面面辐射属于非线性，计算时间特别长，电子枪带有面面辐射的热分析，计算时间一般超过 24 小时甚至更长.

大家参考 ANSYS Workbench 多核并行运算及并行核数检测 进行并行运算设置，设置后计算时间大概在5小时左右。不建议同时进行多个仿真计算，那样时间会更长。

如果只是比较结构对功耗的影响，可以不考虑热屏与阴极，支撑件的接触，如果单一计算可以设置接触。

特别说明：

实际分析时是设置面面辐射还是设置面环境辐射有时候不好确定，个人建议是大面积的与外界相对的设置面环境辐射，即像面面辐射又像环境辐射的，设置向环境辐射，或部分设置面环境辐射。