摘要:塞塊式瞬態(tài)量熱計是氣動加熱地面模擬試驗模型中表面冷壁熱流主要測量手段之一,對塞塊式瞬態(tài)量熱計測試結果進行了誤差分析,并采用有限差分原理,建立了數學分析模型,編制了瞬態(tài)量熱計測量結果修正計算程序,并對一些典型的測試結果進行了修正和分析。

1 引 言

飛行器在大氣層內高速飛行過程中,特別是航天飛行器在再入大氣層的過程中,氣流受到飛行器周圍激波的影響以及由于氣體粘性產生的阻滯作用,沿飛 行器外壁面氣流的機械能被轉換為熱能,氣流溫度急劇升高,在飛行器表面周圍高溫、高速流場形成了對飛行器非常嚴重的氣動加熱。因此,氣動熱防護問題是飛行 器氣動和結構設計必須考慮的一個問題,而利用電弧風洞等地面加熱設備,對飛行器的防熱材料、防熱結構進行地面模擬試驗研究是飛行器設計過程中的一個非常重 要的環(huán)節(jié)。在氣動熱地面模擬試驗研究中,通常需要模擬的參數有氣流溫度(焓)、模型表面熱流、氣流壓力、加熱時間等。模型表面熱流是表征氣動加熱量和加熱 強度的重要參數,熱流的準確測量對氣動熱地面模擬試驗的精度有著重要的影響。塞塊式瞬態(tài)量熱計是一種加工、安裝、使用等方便而且成本較低的熱流測量方式, 但是對于較高熱流和較長時間的測量存在鉸大測量誤差。本文采用有限差分方法,對測量結果進行分析修正,有效地提高了測量的精度。

2 塞塊式瞬態(tài)量熱計的測量原理

塞塊式瞬態(tài)量熱計結構如圖1所示,由熱流板、塞塊、絕緣套、熱電偶等組成。根據能量守恒的原理,采用一個導熱性能良好的塞塊,側面和底面絕熱, 傳入塞塊表面的熱量全部被塞塊本身吸收,并導致塞塊溫度上升,通過測量塞塊的溫升-時間曲線,計算塞塊的溫度梯度,從而得到傳入塞塊表面的熱流:

3 塞塊式瞬態(tài)量熱計存在的問題

塞塊式瞬態(tài)量熱計的測量是基于以下假設:

(1)塞塊的物性參數保持不變。

(2)塞塊的導熱性能非常好,塞塊內各部位的溫度均勻一致。

(3)塞塊表面溫度的升高對測量結果影響較小。

事實上,在被測熱流較高時,塞塊內溫度梯度必然較大,并且隨著塞塊溫度的增加,塞塊材料的熱物性參數也將隨溫度變化,因而所獲得的熱流值與實際值的誤差將會較大,所以必須對塞塊式瞬態(tài)量熱計的測量結果進行修正。

4 測試結果的分析修正方法

若根據塞塊式瞬態(tài)量熱計的測量原理,用一個圓柱形的紫銅塞塊去模擬實際塞塊,測量出紫銅塞塊底部的溫度變化,可獲得氣流從塞塊表面?zhèn)魅氲臒崃?。在這里,首先建立此模擬塞塊的一維非穩(wěn)態(tài)導熱的分析模型:

上述分析模型的邊界條件,與傳熱學的傳統(tǒng)三類邊界條件都有所不同,在這里塞塊表面的換熱系數α未知,而氣流溫度tg和塞塊底部的溫度隨時間變化 已知,要求求出塞塊內各時刻的溫度以及對流換熱系數。因此,在具體算法上采取迭代求解的方式,首先以最下部一個單元的溫升作為塞塊的平均溫升計算輸入熱 流,計算各點的溫升,與最下部點溫升進行比較,進而對換熱系數進行修正,直至最下部點溫升接近試驗數據。在迭代過程中,根據各點溫升,對導熱系數、比熱 容、密度加以修正。最后獲得量熱計內各點的溫升和換熱系數,從而得到氣動加熱試驗所要求真正模擬的冷壁熱流。這里以某飛行器氣動熱地面模擬試驗的瞬態(tài)量熱 計為例,對試驗測量結果進行了修正計算。圖2是實驗測得塞塊底部溫升曲線,圖3是實驗獲得熱流曲線和修正后的溫升曲線。

該瞬態(tài)量熱計采用導熱系數較好的無氧銅材料,在溫度為300 k時,比熱容cp=0·386 kj/(kg·k),密度ρ=8930 kg/m3,導熱系數λ=401 w/(m·k),該材料的物性參數隨溫度變化而變化。塞塊直徑9 mm,厚度為12 mm,將塞塊沿厚度方向均勻分為10個單元,時間步長為1×10-5s,計算時間為5 s。

計算結果表明,塞塊量熱計在受到較大熱流加熱的情況下,內部將很快產生溫升梯度,如圖2所示,在較長時間的測量過程中,塞塊表面溫度將遠遠大于 初始值,因此采用塞塊式量熱計測量模型表面的三個假設都不再成立,必須對試驗結果進行修正,才能保證氣動熱地面模擬試驗的準確性。圖3給出了試驗獲得的熱 流曲線和計算修正后的熱流曲線,從圖中可以看出,在試驗開始后短時間內,塞塊內溫升很小的情況下,試驗值和修正值之間的差別是很小的,但是隨著塞塊內溫度 的提高,試驗值和修正值之間的差距越來越大。在此算例中,當試驗時間達到4s時,表面溫度超過500 k,試驗熱流值和修正值的差別達到25%,這必將對氣動熱試驗結果產生很大影響,因此必須對試驗值進行修正。

5 結 論

采用塞塊式瞬態(tài)量熱計測量較大熱流時,由于塞塊內溫度升高,塞塊物性參數都發(fā)生了較大變化,試驗值已經不能反映模型表面的真實冷壁熱流,必須進 行修正。采用一維瞬態(tài)導熱模型和有限差分的離散方法,對試驗數據進行理論分析修正,可以獲得比較真實的冷壁熱流,從而可以提高模擬加熱試驗的準確性。