В работе исследуется работа электронной пушки в процессе разогрева. С помощью численного моделирования в ANSYS Fluent определяется время выхода устройства на установившийся режим работы.

Конечной целью теплового расчета является сокращение времени выхода на стационарный режим для рассматриваемого устройства. Первостепенной задачей является получение результатов численного моделирования, согласующихся с результатами имеющихся натурных испытаний. На последующих этапах должны быть проанализированы различные варианты нагрева электронной пушки, с целью получить требуемое время выхода на установившийся режим работы.

Электронная пушка — устройство, с помощью которого получают пучок электронов с заданной кинетической энергией и заданной конфигурации. Чаще всего используется в кинескопах и других электронно-лучевых трубках, СВЧ-приборах, а также в различных приборах, таких как электронные микроскопы и ускорители заряженных частиц. Работа электронной пушки возможна только в условиях глубокого вакуума, чтобы пучок электронов не рассеивался при столкновении с молекулами атмосферных газов.

Электронная пушка работает в условиях вакуума 10^-5 Па внутри прибора. При работе устройства происходит интенсивный теплообмен между частями конструкции посредством теплопроводности и излучения. Конвективным теплообменом внутри прибора можно пренебречь. Вследствие нагрева происходит термомеханическая деформация устройства, которая влияет на эксплуатационные характеристики прибора. Нормальная работа устройства возможна только в условиях установившегося режима работы.

Первостепенной целью теплового расчета является получение графиков температуры катода, перемещения сетки и катода от времени. После получения этих данных необходимо проверить, насколько они сходятся с результатами натурного эксперимента.

Конечно-элементная сетка строится с использованием алгоритма Patch Conforming и метода, при котором создаются тетраэдральные элементы с использованием элементов первого порядка. Результатом стала сетка, содержащая в себе 652707 узлов и 3817100 элементов. При переходе к решению тепловой задачи в ANSYS Fluent сетка конвертирована в полиэдрическую. Это сделано для оптимизации ресурсов, повышения точности и скорости решения задачи.

Задача решается в нестационарной постановке. Теплонагруженной деталью является катод, который обладает собственным постоянным тепловыделением. В качестве граничного условия с внешней стороны прибора заданы конвективный теплообмен с окружающей средой (температура окружающей среды +25°С) и излучение в окружающую среду.

В результате решения нестационарной задачи теплопередачи и термомеханики получены распределения температур и перемещений всех точек сборки в зависимости от времени.

По данным выполненных расчетов построены графики, на которых приведено сравнение результатов численного моделирования и полученных ранее данных натурных испытаний. 

Результаты теплового расчета хорошо коррелируют с экспериментом, что дает основания полагать о корректности численной модели и настроек расчета.