5. Программные комплексы расчета радиационного теплообмена

Одними из первых программных комплексов расчета радиационного теплообмена являются комплекс SINDA/G (Systems Improved Numerical Differencing Analyzer / Gaski) [8] и TRASYS (Thermal Radiation Analyzer System) [2, 26, 74], разработанные в середине 1960-х годов и начале 1970-х соответственно по заказу NASA. Программа SINDA/G предназначена для расчета теплообмена в общей постановке методом тепловых балансов [81]. Идея метода тепловых балансов заключается в записи теплового потока между элементами либо как функции разницы их температур в случае кондуктивного теплообмена, либо как функции разницы четвертых степеней их температур в случае радиационного теплообмена. Расчет угловых коэффициентов, определяющих тепловые связи в случае лучистого теплообмена, и поглощающихся потоков излучения от внешних источников производится в программе TRASYS.

TRASYS позволяет рассчитывать угловые коэффициенты и поглощающиеся потоки с учетом диффузного и зеркального отражения и пропускания. Расчет угловых коэффициентов производится либо прямым методом, либо методом полусферы, либо методом многократных отражений; расчет потоков от внешних источников производится методом многократных отражений. Термооптические свойства поверхностей могут зависеть от времени.

Альтернативным способом расчета угловых коэффициентов для использования в SINDA/G является программный комплекс NEVADA (Net Energy Verification And Determination Analyzer) [54]. Комплекс позволяет учитывать пропускание, диффузное и зеркальное отражение, задавать двунаправленную функцию отражения. NEVADA не позволяет задавать зависимость термооптических коэффициентов от длины волны. Расчет значений угловых коэффициентов производится методом многократных отражений, комбинированным с методом Монте-Карло.

Наиболее современным программным комплексом, используемым в настоящее время NASA для расчета угловых коэффициентов и потоков излучения, является TSS (Thermal Synthesizer System) [27, 71]. TSS реализует метод статистических многократных отражений, и позволяет рассчитывать зеркальное и диффузное отражение, и пропускание. Возможен учет переменности термооптических свойств.

Еще одним способом подготовки данных для расчета лучистого теплообмена в SINDA/G является THERMICA [69, 72]. Расчет угловых коэффициентов производится методом многократных отражений со статистическими испытаниями. При проведении расчета учитываются зеркальное и диффузные отражения, преломление и пропускание. Необходимо отметить, что THERMICA позволяет представить результаты расчета в виде, пригодном для использования в программном комплексах ESATAN [39] и THERMISOL [73]. Эти комплексы являются аналогами комплекса SINDA/G. ESATAN и THERMISOL были разработаны для нужд Европейского космического агентства.

В комплексе ESATAN заложен тот же принцип расчета, что и в SINDA/G – метод тепловых балансов [81]. Модулем для расчета радиационных связей между элементами для ESATAN является ESARAD [73, 34]. Для расчета угловых коэффициентов модулем используется метод многократных отражений со статистическими испытаниями. При расчете возможен учет диффузного и зеркального отражений и пропускания.

Фактически, ESATAN, SINDA/G и THERMISOL являются тепловыми решателями общего вида. Исходные данные для расчета радиационного теплообмена формируются для них в программных комплексах TRASYS, NEVADA, THERMICA и ESARAD.

Иной подход используется при расчетах в программных комплексах MSC.PATRAN/MSC.NASTRAN [46], ANSYS [3], ABAQUS [1] и NEi Thermal Advanced [36]. Перечисленные комплексы способны генерировать набор угловых коэффициентов и внешних тепловых потоков как самостоятельно, так и использовать ранее их значения, рассчитанные в TRASYS, THERMICA и аналогичных модулях, за исключением ABAQUS. Описанные комплексы позволяют производить расчет радиационного теплообмена с учетом и зеркального и диффузного отражений и пропускания как статистическим методом многократных отражений, так и методом полусфер.

Комплекс ABAQUS, не поддерживает возможность использования сторонних угловых коэффициентов. ABAQUS реализует расчет теплообмена исключительно в «диффузно-серой» постановке методом Монте-Карло с учетом переменности термооптических коэффициентов во время расчета.

Отечественным комплексом для анализа радиационного теплообмена, сертифицированным для расчета космических аппаратов, является пакет прикладных программ «ТЕРМ» [92] разработки ЦНИИМаш. Комплекс использует метод многократных отражений со статистическими испытаниями для расчета угловых коэффициентов и внешних тепловых потоков. При проведении расчетов угловых коэффициенты считаются неизменными, термооптические коэффициенты принимаются не зависящими от температуры.

Все вышеописанные программные комплексы разработаны для реализации метода изотермических поверхностей, аппроксимирующих температурное поле исследуемого объекта набором площадок с равномерно распределенной температурой. Также общим для программных комплексов является разделение спектра излучения на видимый и инфракрасный диапазоны, с раздельными термооптическими коэффициентами для каждого диапазона. Кроме того, программные комплексы используют предположение о планковском спектре и диффузном характере излучения изучаемых объектов.

Необходимо еще раз заметить, что упоминаемое в описании программных комплексов выражение «угловые коэффициенты» соответствует понятиям «разрешающие угловые коэффициенты» в русскоязычной литературе и radiative exchange factors в англоязычной.