摘要:塞塊式瞬態(tài)量熱計(jì)是氣動(dòng)加熱地面模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭斜砻胬浔跓崃髦饕獪y(cè)量手段之一,對(duì)塞塊式瞬態(tài)量熱計(jì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了誤差分析,并采用有限差分原理,建立了數(shù)學(xué)分析模型,編制了瞬態(tài)量熱計(jì)測(cè)量結(jié)果修正計(jì)算程序,并對(duì)一些典型的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了修正和分析。

1 引 言

飛行器在大氣層內(nèi)高速飛行過(guò)程中,特別是航天飛行器在再入大氣層的過(guò)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(chǎn)生的阻滯作用,沿飛 行器外壁面氣流的機(jī)械能被轉(zhuǎn)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(chǎng)形成了對(duì)飛行器非常嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱。因此,氣動(dòng)熱防護(hù)問(wèn)題是飛行 器氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮的一個(gè)問(wèn)題,而利用電弧風(fēng)洞等地面加熱設(shè)備,對(duì)飛行器的防熱材料、防熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)研究是飛行器設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)非常重 要的環(huán)節(jié)。在氣動(dòng)熱地面模擬試驗(yàn)研究中,通常需要模擬的參數(shù)有氣流溫度(焓)、模型表面熱流、氣流壓力、加熱時(shí)間等。模型表面熱流是表征氣動(dòng)加熱量和加熱 強(qiáng)度的重要參數(shù),熱流的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)氣動(dòng)熱地面模擬試驗(yàn)的精度有著重要的影響。塞塊式瞬態(tài)量熱計(jì)是一種加工、安裝、使用等方便而且成本較低的熱流測(cè)量方式, 但是對(duì)于較高熱流和較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量存在鉸大測(cè)量誤差。本文采用有限差分方法,對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析修正,有效地提高了測(cè)量的精度。

2 塞塊式瞬態(tài)量熱計(jì)的測(cè)量原理

塞塊式瞬態(tài)量熱計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由熱流板、塞塊、絕緣套、熱電偶等組成。根據(jù)能量守恒的原理,采用一個(gè)導(dǎo)熱性能良好的塞塊,側(cè)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(dǎo)致塞塊溫度上升,通過(guò)測(cè)量塞塊的溫升-時(shí)間曲線,計(jì)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(jì)存在的問(wèn)題

塞塊式瞬態(tài)量熱計(jì)的測(cè)量是基于以下假設(shè):

(1)塞塊的物性參數(shù)保持不變。

(2)塞塊的導(dǎo)熱性能非常好,塞塊內(nèi)各部位的溫度均勻一致。

(3)塞塊表面溫度的升高對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小。

事實(shí)上,在被測(cè)熱流較高時(shí),塞塊內(nèi)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(shù)也將隨溫度變化,因而所獲得的熱流值與實(shí)際值的誤差將會(huì)較大,所以必須對(duì)塞塊式瞬態(tài)量熱計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

4 測(cè)試結(jié)果的分析修正方法

若根據(jù)塞塊式瞬態(tài)量熱計(jì)的測(cè)量原理,用一個(gè)圓柱形的紫銅塞塊去模擬實(shí)際塞塊,測(cè)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(dǎo)熱的分析模型:

上述分析模型的邊界條件,與傳熱學(xué)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(shù)α未知,而氣流溫度tg和塞塊底部的溫度隨時(shí)間變化 已知,要求求出塞塊內(nèi)各時(shí)刻的溫度以及對(duì)流換熱系數(shù)。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(gè)單元的溫升作為塞塊的平均溫升計(jì)算輸入熱 流,計(jì)算各點(diǎn)的溫升,與最下部點(diǎn)溫升進(jìn)行比較,進(jìn)而對(duì)換熱系數(shù)進(jìn)行修正,直至最下部點(diǎn)溫升接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在迭代過(guò)程中,根據(jù)各點(diǎn)溫升,對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、比熱 容、密度加以修正。最后獲得量熱計(jì)內(nèi)各點(diǎn)的溫升和換熱系數(shù),從而得到氣動(dòng)加熱試驗(yàn)所要求真正模擬的冷壁熱流。這里以某飛行器氣動(dòng)熱地面模擬試驗(yàn)的瞬態(tài)量熱 計(jì)為例,對(duì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了修正計(jì)算。圖2是實(shí)驗(yàn)測(cè)得塞塊底部溫升曲線,圖3是實(shí)驗(yàn)獲得熱流曲線和修正后的溫升曲線。

該瞬態(tài)量熱計(jì)采用導(dǎo)熱系數(shù)較好的無(wú)氧銅材料,在溫度為300 k時(shí),比熱容cp=0·386 kj/(kg·k),密度ρ=8930 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)λ=401 w/(m·k),該材料的物性參數(shù)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(gè)單元,時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-5s,計(jì)算時(shí)間為5 s。

計(jì)算結(jié)果表明,塞塊量熱計(jì)在受到較大熱流加熱的情況下,內(nèi)部將很快產(chǎn)生溫升梯度,如圖2所示,在較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量過(guò)程中,塞塊表面溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 初始值,因此采用塞塊式量熱計(jì)測(cè)量模型表面的三個(gè)假設(shè)都不再成立,必須對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正,才能保證氣動(dòng)熱地面模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。圖3給出了試驗(yàn)獲得的熱 流曲線和計(jì)算修正后的熱流曲線,從圖中可以看出,在試驗(yàn)開(kāi)始后短時(shí)間內(nèi),塞塊內(nèi)溫升很小的情況下,試驗(yàn)值和修正值之間的差別是很小的,但是隨著塞塊內(nèi)溫度 的提高,試驗(yàn)值和修正值之間的差距越來(lái)越大。在此算例中,當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到4s時(shí),表面溫度超過(guò)500 k,試驗(yàn)熱流值和修正值的差別達(dá)到25%,這必將對(duì)氣動(dòng)熱試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大影響,因此必須對(duì)試驗(yàn)值進(jìn)行修正。

5 結(jié) 論

采用塞塊式瞬態(tài)量熱計(jì)測(cè)量較大熱流時(shí),由于塞塊內(nèi)溫度升高,塞塊物性參數(shù)都發(fā)生了較大變化,試驗(yàn)值已經(jīng)不能反映模型表面的真實(shí)冷壁熱流,必須進(jìn) 行修正。采用一維瞬態(tài)導(dǎo)熱模型和有限差分的離散方法,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析修正,可以獲得比較真實(shí)的冷壁熱流,從而可以提高模擬加熱試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。