HID燈電極溫度特性仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、HID燈電極溫度特性仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：高強(qiáng)度氣體放電HID燈電極溫度特性對其壽命有顯著的影響，在分析HID燈物理過程和典型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了 HID燈物理模型，對HID燈電極溫度分布進(jìn)行了仿真。與實(shí)驗(yàn)測量的溫度特性進(jìn)行對比驗(yàn)證了該模型的正確性，更重要的是得到了電極結(jié)構(gòu)與溫度分布的關(guān)系。電極的溫度隨電極長度的增加而升高，而隨電極半徑的增大而降低。電極半徑為0。3mm，電極長度為20mm時(shí)，電極上的溫度分布較合理。研究成果對HID燈長期穩(wěn)定運(yùn)行具有較高的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度氣體放電燈；物理模型；溫度特性；電極；COMSOL；仿真分析Keyword： HIDlamp； phyicalmode

2、l； temperaturecharacteritic；electrode； COMSOL； imulationanalyi0引言高強(qiáng)度氣體放電HID燈是一種節(jié)能型電光源，具有高光效、高顯色性、高亮度、高通量和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是最有應(yīng)用價(jià)值的大功率光源之一，被廣泛應(yīng)用于道路、機(jī)場、景觀、場館等中大功率照明場合。在HID燈實(shí)際工作過程中，電極溫度過高可導(dǎo)致電極濺射，電極過早失效，使得后期燈的啟動(dòng)性能變差，進(jìn)而降低燈的光通維持率和使用壽命;電極溫度過低導(dǎo)致其熱電子發(fā)射能力較低，燈的再啟動(dòng)性能變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致燈弧熄滅。為了提高HID燈的性能，電極溫度的研究是非常重要的，目前，關(guān)于HID燈電極溫度研究

3、方法主要有兩類，一種是理論計(jì)算法。如萬文才等人提出一種基于3波長的輻射亮度法，研究不同點(diǎn)燈方式和不同鎮(zhèn)流器工作方式對電極溫度分布的影響1 ； Reinelt等人采用發(fā)射光譜法按照熱輻射公式計(jì)算得到不同電流、不同頻率下隨相位變化的電極溫度2 ； Bergner等人通遏建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出電極溫度跟功函數(shù)和輻射功率的關(guān)系3； Hoebing等人提出的1入測高溫法，得出不同電流情況下電極的二維分布圖4,這種方法局限性很大，只適用于一些特定的頻率段。另一種是實(shí)驗(yàn)測量法，如施水軍等人采用基于單色儀和光電倍增管的電壓信號測量法研究電極溫度隨不同電流、頻率的變化情況5,Dabringhauen等人利用高溫計(jì)

4、實(shí)驗(yàn)測量不同電流、電極半徑情況下電極不同位置的溫度6,這種方法對實(shí)驗(yàn)器材和環(huán)境要求較高，測量誤差比較大。近年來，從建模仿真的角度研究HID燈的工作過程吸引了大批學(xué)者的注意，目前關(guān)于HID燈的模型主要有：1經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。測量HID燈工作過程中的電壓、電流和頻率等參量，建立燈電阻與這些參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系7。這種模型忽略了一些不必要的量，比較容易實(shí)現(xiàn)，但是該模型需要多次試驗(yàn)仿真以選取最合適的一組數(shù)據(jù)，所以計(jì)算量較大，模型建立費(fèi)時(shí)費(fèi)力。2曲線擬合模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到HID燈參數(shù)曲線的表達(dá)式，從而得到HID燈的數(shù)學(xué)模型8。這種模型思路簡單，運(yùn)算量小，但是該方法通用性很差，模型應(yīng)用頻率

5、范圍很窄，一般用于HID燈的穩(wěn)態(tài)分析。3物理模型。將微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和宏觀的電壓、電流、溫度、電阻和頻率等參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，根據(jù)氣體放電理論、能量守恒原理和等離子體理論的方程，建立模型9。本文從建模仿真的角度出發(fā)，根據(jù)氣體放電理論、能量守恒原理和等離子體理論的方程，采用有限元仿真軟件COMSOL建立HID燈的物理模型。通過模擬HID燈的內(nèi)部物理過程，將微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和宏觀的電極溫度關(guān)聯(lián)起來，通過仿真得到HID燈內(nèi)部的溫度分布情況，并與Dabringhauen等人采用高溫計(jì)測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該物理模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)研究了電極長度和電極半徑的選取對電極溫度分布的影響，對HID燈的實(shí)際

6、生產(chǎn)工藝過程和物理過程分析有一定的指導(dǎo)意義。1HID燈的物理模型1、1幾何模型建立HID燈主要由電極和燃燒器組成，燃燒器是位于玻璃燈泡內(nèi)部，處于真空狀態(tài)，燃燎器的材質(zhì)是多晶鋁PCA，電極的材質(zhì)是鎢10。典型的HID燈內(nèi)燃燒器和電極的幾何尺寸如表1所示。運(yùn)用COMSOL軟件，建立HID燈的二維軸對稱模型，包括三個(gè)區(qū)域：等離子區(qū)域、電極區(qū)域和燃燒壁區(qū)域，如圖1所示。1、2物理過程分析根據(jù)HID燈的放電理論，放電正柱區(qū)是典型的等離子體，處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)，呈現(xiàn)電中性11。HID燈的內(nèi)部物理過程涉及電、熱、流等物理場，可用相應(yīng)的物理方程描述，其中電場方程用于確定電勢的分布，熱傳導(dǎo)和熱對流方程用于測

7、定等離子內(nèi)溫度的分布，流場方程用于模擬燃燒器內(nèi)的對流12。2仿真與分析2、1模型的驗(yàn)證以HID燈的物理模型為基礎(chǔ)，將物理模型應(yīng)用到電極溫度分布研究中，通過與采用實(shí)驗(yàn)測量方法測量的電極溫度進(jìn)行對比來驗(yàn)證該物理模型的準(zhǔn)確性。通過計(jì)算求解得到典型的HID燈內(nèi)部二維溫度分布如圖2所示。電極不同位置處的溫度值如圖3所示，橫軸零坐標(biāo)點(diǎn)是電極尖所在位置。由圖2和圖3可知，燈內(nèi)的最高溫度值出現(xiàn)在電極尖附近的區(qū)域，可達(dá)到Tma=3596。7K，且電極溫度從其頂端到與放電管封接點(diǎn)是由高到低的分布，頂端最高溫度值在32003300K之間。需注意的是，燈內(nèi)的溫度最高值并不在電極上，而在電極尖附近區(qū)域。Dabringh

8、auen等人利用高溫計(jì)實(shí)驗(yàn)測量電極不同位置的溫度，結(jié)果如圖4所示。電極溫度置信區(qū)域的左邊位置選取在電極尖附近稍微遠(yuǎn)離電弧約10 5處，考慮到電極尖附近電弧的光譜信號很強(qiáng)，右邊位置選取是考慮由于電極濺射導(dǎo)致電極尖的幾何形狀發(fā)生改變，其表面發(fā)射率會(huì)有所變化，可能發(fā)生反射6。通過對比分析圖3和圖4可知，利用物理模型仿真得出的數(shù)據(jù)和Dabringhauen等人實(shí)驗(yàn)測量的電極溫度在置信區(qū)域內(nèi)的最高值均為3250K,最低值均為1250K，并且二者趨勢基本吻合。但圖2中，置信區(qū)域以外的電極位置處，電極溫度曲線均出現(xiàn)一定的波動(dòng)，在01mm之間出現(xiàn)的波動(dòng)是電極尖附近電弧的光譜信號很強(qiáng)造成的反射，以及測量器材的反

9、射造成。在1520mm之間出現(xiàn)一個(gè)小波峰，一方面是電極濺射導(dǎo)致電極尖的幾何形狀發(fā)生改變，其表面發(fā)射率會(huì)有所變化，可能發(fā)生反射；另一方面是由于測量器材的安裝位置、測量方式造成的測量誤差，而物理模型仿真得到電極溫度曲線不僅可以避免測量誤差，而且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，說明本文提出的物理模型是準(zhǔn)確有效的。2、2電極溫度特性仿真與優(yōu)化影響HID燈的電極溫度分布的因素包括頻率、電流、電極半徑、電極長度等，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，電極半徑取在0。30。75mm范圍內(nèi)；電極長度取值一般為1030mm范圍內(nèi)，根據(jù)已建立的HID燈物理模型，利用COMSOL軟件分別仿真求解當(dāng)電極長度為10mm, 20mm和30mm，電極半徑分別

10、為0。3mm, 0。5mm和0。75mm時(shí)電極上的溫度分布特征，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：1當(dāng)電極長度不變時(shí)，電極不同位置處的溫度值均隨電極半徑增大而降低。說明電極半徑的選取對電極上溫度的高低有影響，可以選取合適的電極半徑來控制電極溫度。2當(dāng)電極半徑不變時(shí)，電極不同位置處的溫度均隨電極長度的增加升高。說明電極長度的選取也對電極上溫度的高低有影響，選取合適的電極長度可以控制電極溫度。3不同電極半徑的電極溫度曲線相交于一點(diǎn)，隨著電極長度的增加，交點(diǎn)向電極尖端靠近，這是因?yàn)殡姌O長度增加，電極尖端與電極末端的距離越遠(yuǎn)，電極溫度下降的速度越快，則交點(diǎn)的位置越靠近電極尖端。4從生產(chǎn)工藝的角度看，當(dāng)電極長度選取為20mm，電極半徑選取為0。3mm時(shí)，電極上的溫度分布符合工藝要求。3結(jié)語1通過對比物理模型仿真的電極溫度分布圖與Dabringhauen等人采用實(shí)驗(yàn)測量的電極溫度分布圖，發(fā)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)可以避免實(shí)驗(yàn)測量出現(xiàn)的誤差，并且仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，驗(yàn)證了該模型的有效性和準(zhǔn)