一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法，首先根據(jù)冷壁熱流邊界條件計(jì)算出金屬薄板表面的溫度變化曲線，然后再對(duì)金屬薄板試驗(yàn)件按照計(jì)算出的溫度曲線實(shí)施加熱，同時(shí)記錄下該溫度條件下與金屬薄板處于同一平面處的熱流傳感器表面的熱壁熱流曲線，即通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的復(fù)合方法，最終獲得冷壁熱流邊界條件所對(duì)應(yīng)的難于由計(jì)算確定的熱壁熱流邊界條件，為高速飛行器輻射式氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)提供一種可實(shí)際應(yīng)用的熱壁熱流確定方法。
【專利說(shuō)明】一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法，屬于高速飛行器氣動(dòng)熱試驗(yàn)領(lǐng)域。特別是在使用輻射方式模擬導(dǎo)彈等高速飛行器的氣動(dòng)加熱環(huán)境時(shí)，將由理論計(jì)算得到的冷壁熱流邊界條件轉(zhuǎn)換為實(shí)際所需的熱壁熱流邊界條件。

【背景技術(shù)】
[0002]導(dǎo)彈、高速飛機(jī)等飛行器在高馬赫數(shù)飛行時(shí)將會(huì)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的“熱障”問(wèn)題。以6個(gè)馬赫數(shù)飛行的高超聲速飛行器的前端天線罩錐部的瞬時(shí)熱流密度可高達(dá)1.2Mw/m2，駐點(diǎn)溫度將超過(guò)1200°C。航天飛機(jī)穿越大氣層時(shí)其機(jī)體、機(jī)翼、垂尾等大部分區(qū)域的溫度在750°C?1450°C之間，前錐端部和進(jìn)氣道等部位甚至?xí)霈F(xiàn)接近1800°C的局部高溫區(qū)。如此極端惡劣的高溫?zé)岘h(huán)境條件，使得高聲速飛行器材料和結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)和熱強(qiáng)度問(wèn)題成為事關(guān)研制成敗的關(guān)鍵問(wèn)題。這是因?yàn)楦咚亠w行時(shí)嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱所產(chǎn)生的高溫，會(huì)顯著降低高超聲速飛行器材料的強(qiáng)度極限和飛行器結(jié)構(gòu)的承載能力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱變形，破壞部件的氣動(dòng)外形并影響飛行器結(jié)構(gòu)的安全性能。為保證高速飛行器的安全，確認(rèn)飛行器的材料和結(jié)構(gòu)是否能經(jīng)得起高速飛行時(shí)所產(chǎn)生的熱燒蝕及高溫?zé)釕?yīng)力破壞，必須對(duì)高速飛行器材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)。模擬飛行材料和結(jié)構(gòu)在高速飛行時(shí)的受熱狀態(tài)，觀察分析在熱環(huán)境和力學(xué)環(huán)境作用下材料的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)的受力狀況，從而進(jìn)一步研究分析結(jié)構(gòu)在高溫下的承載能力，該項(xiàng)工作對(duì)于導(dǎo)彈、高速飛機(jī)等飛行器的熱防護(hù)與安全設(shè)計(jì)具有極為重要的意義。
[0003]在進(jìn)行輻射式加熱試驗(yàn)時(shí)，模擬加熱環(huán)境的方式分為熱流邊界模擬與溫度邊界模擬兩種方式。對(duì)于表面附有燒蝕防熱涂層的結(jié)構(gòu)，由于加熱過(guò)程中涂層產(chǎn)生燃燒、氣化、分解、剝離等物理或化學(xué)變化，表面溫度難于準(zhǔn)確測(cè)量；另外非金屬材料由于受到材料特性和表面狀態(tài)以及傳感器安裝等因素的影響，其表面溫度的穩(wěn)定可靠測(cè)量也非常困難。因此對(duì)于燒蝕材料和非金屬材料往往不能采用溫度邊界模擬方式，而是需要采用熱流邊界模擬方式進(jìn)行氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)。
[0004]在計(jì)算外壁熱流條件時(shí)，外壁表面溫度會(huì)隨著加熱時(shí)間的改變而不斷變化，形成所謂“熱壁”。而這種不斷變化的不確定的熱壁邊界條件，使得熱壁熱流的計(jì)算變得很困難。因此在氣動(dòng)加熱計(jì)算中往往采取簡(jiǎn)化方式，即假設(shè)涂層表面溫度恒定于初始溫度不變，并將在此種假設(shè)條件下計(jì)算出的熱流密度稱作為“冷壁”熱流。雖然按照計(jì)算出的冷壁熱流進(jìn)行加熱試驗(yàn)不符合實(shí)際情況，但在難于測(cè)量和計(jì)算表面溫度的情況下，從研究或篩選防熱材料和結(jié)構(gòu)的防熱性能或檢驗(yàn)涂層工藝質(zhì)量的角度出發(fā)，有一定借鑒作用(參考文獻(xiàn):張鈺，結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)技術(shù)[M]，宇航出版社，1993，28-29)。
[0005]而以輻射方式進(jìn)行的氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)時(shí)，由于測(cè)量與控制過(guò)程中使用的熱阻式熱流計(jì)得到的是熱壁熱流，而冷壁熱流在輻射式氣動(dòng)熱試驗(yàn)中沒(méi)有辦法通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到。因此，在模擬氣動(dòng)熱環(huán)境時(shí)，必須將計(jì)算得到的冷壁熱流邊界條件轉(zhuǎn)換為熱壁熱流邊界條件。然后再進(jìn)行以熱壁熱流邊界條件為基礎(chǔ)的熱環(huán)境試驗(yàn)，在試驗(yàn)前或在試驗(yàn)過(guò)程中將冷壁熱流轉(zhuǎn)換成熱壁熱流的工作非常重要，且實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難。
[0006]有人提出過(guò)在熱試驗(yàn)過(guò)程中先輸入冷壁熱流數(shù)據(jù)，再根據(jù)測(cè)量得到的壁面溫度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成熱壁熱流的方法(參考文獻(xiàn):王智勇，巨亞堂，黃世勇.結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中冷壁熱流邊界模擬方法研究[J].航天器環(huán)境工程，2008，25 (I): 33-35)。但是該方法出現(xiàn)了相互矛盾的問(wèn)題，因?yàn)橐谵D(zhuǎn)換過(guò)程中測(cè)量表面溫度，并用其修正計(jì)算值。而當(dāng)初決定采用熱流邊界模擬環(huán)境時(shí)，就是因?yàn)樵诩訜徇^(guò)程中燒蝕試驗(yàn)件或非金屬材料試驗(yàn)件表面的溫度難于準(zhǔn)確測(cè)量?，F(xiàn)在若是使用不能準(zhǔn)確測(cè)量的邊界溫度數(shù)據(jù)去修正冷壁熱流數(shù)據(jù)的方法可行的話，當(dāng)初就可直接使用溫度測(cè)量的方法進(jìn)行試驗(yàn)，而不必使用熱流方式進(jìn)行試驗(yàn)。另外采用不準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)去修正冷壁熱流數(shù)據(jù)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性都存在問(wèn)題。
[0007]雖然上述方法有一定的問(wèn)題，但也說(shuō)明了氣動(dòng)熱試驗(yàn)?zāi)M中將冷壁熱流邊界條件轉(zhuǎn)換成熱壁熱流邊界條件的必要性和困難性。而將冷壁熱流轉(zhuǎn)換成熱壁熱流的工作對(duì)于高速飛行器氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法，當(dāng)使用輻射方式模擬導(dǎo)彈等高速飛行器的氣動(dòng)加熱環(huán)境時(shí)，將由理論計(jì)算得到的冷壁熱流轉(zhuǎn)換為輻射加熱試驗(yàn)中實(shí)際所需的熱壁熱流，為高速飛行器地面氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)提供一種實(shí)用的熱環(huán)境邊界條件確定方法。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法，其特征在于通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，將冷壁熱流邊界條件轉(zhuǎn)換為輻射加熱試驗(yàn)中實(shí)際所需的熱壁熱流邊界條件，其具體步驟如下:
[0010]步驟a:確定試驗(yàn)測(cè)試用金屬薄板的材質(zhì)、平面尺寸與厚度。
[0011]由于在高溫?zé)嵩囼?yàn)中熱流和溫度有相關(guān)性，一般情況下熱流大產(chǎn)生的表面溫度也高，有些金屬薄板受到高溫后極易產(chǎn)生翹曲變形，因此需要根據(jù)最大熱流范圍確定試驗(yàn)測(cè)試用的耐高溫金屬薄板的材質(zhì)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證金屬薄板的變形狀況能夠處于可用范圍之內(nèi)；平面尺寸越大的金屬薄板受熱后的變形量往往越大，因此金屬薄板的平面尺寸不能過(guò)大，但是平面尺寸也不能選得太小，否則三維效應(yīng)會(huì)變得很大；另外若金屬板的厚度過(guò)大，使得金屬板的熱的容變得很大，加熱時(shí)對(duì)于快速變化的熱流環(huán)境的反應(yīng)時(shí)間緩慢，會(huì)產(chǎn)生比較明顯的熱滯后現(xiàn)象。因此必須綜合考慮金屬薄板的材質(zhì)、平面尺寸與厚度之間的關(guān)系，選測(cè)合理的金屬薄板，并通過(guò)試驗(yàn)予以確認(rèn)。
[0012]所述步驟a中，金屬板材質(zhì)為鎳基不銹鋼lCrl8Ni9Ti，其熔點(diǎn)約為1450°C，具有耐高溫，抗變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)；金屬板厚度取在1.0mm-2.0mm之間，由于板厚非常薄熱反應(yīng)速度很快，金屬薄板的平面尺寸的邊長(zhǎng)為100臟-120臟，其邊長(zhǎng)與厚度之比處于60:1至120:1之間，由于寬、厚比非常大，可充分近似成為二維平面狀態(tài)，這種大寬厚比薄板邊界處的三維效應(yīng)的影響可以忽略。
[0013]步驟b:根據(jù)冷壁熱流計(jì)算出金屬薄板表面的溫度變化曲線。
[0014]設(shè)冷壁熱流作用在金屬薄板受熱面上，先確定金屬薄板的初始溫度條件以及散熱面與外部環(huán)境之間的對(duì)流換熱與輻射換熱等邊界條件，然后根據(jù)受熱面冷壁熱流-時(shí)間變化曲線、通過(guò)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程解出金屬薄板前表面的溫度-時(shí)間變化曲線。
[0015]步驟C:根據(jù)上述溫度曲線編制熱環(huán)境試驗(yàn)控制程序。
[0016]既將由冷壁熱流計(jì)算出金屬薄板表面的“溫度-時(shí)間”數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，作為控制程序的預(yù)設(shè)值。
[0017]步驟d:對(duì)金屬薄板按照計(jì)算出的溫度曲線控制加熱。
[0018]采用與計(jì)算過(guò)程中的材質(zhì)、平面尺寸與厚度相同的金屬薄板試驗(yàn)件進(jìn)行加熱試驗(yàn)，熱試驗(yàn)系統(tǒng)由石英燈紅外輻射陣列、溫度傳感器、信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、數(shù)/模數(shù)轉(zhuǎn)換器、可控硅調(diào)節(jié)器等部分組成的一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。金屬薄板的前表面焊接有熱電偶傳感器，熱控制系統(tǒng)對(duì)金屬薄板的前表溫度進(jìn)行測(cè)量，以熱電偶傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)作為反饋值，與上述計(jì)算出來(lái)的相應(yīng)時(shí)刻的溫度預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，所得到的偏差量經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后給出控制調(diào)節(jié)量，通過(guò)可控硅調(diào)節(jié)器改變石英燈紅外輻射器上的工作電壓，跟蹤模擬金屬薄板表面的“溫度-時(shí)間”熱環(huán)境。金屬薄板處于距離石英燈紅外輻射加熱陣列50-70mm之處。
[0019]步驟e:在對(duì)金屬薄板加熱過(guò)程中，記錄下到達(dá)板壁面的熱壁熱流。
[0020]將熱流傳感器安裝在金屬薄板的近旁，并使熱流傳感器的前表面與金屬薄板的前表面處于同一平面上，因此在加熱過(guò)程中到達(dá)金屬薄板前表面的熱壁熱流值和到達(dá)熱流傳感器前表面的熱流值大小是一樣的。當(dāng)石英燈紅外輻射陣列按照由冷壁熱流計(jì)算出的金屬薄板表面溫度曲線對(duì)金屬板進(jìn)行加熱時(shí)，與金屬薄板處于同一平面上的熱流傳感器就可實(shí)時(shí)記錄下到達(dá)金屬薄板前表面的熱壁熱流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。
[0021]將熱流傳感器的前表面與金屬薄板前表面安裝在同一加熱平面上，保證熱流傳感器表面感知的熱壁熱流與金屬薄板的前表面的熱壁熱流具有良好的一致性。
[0022]步驟f:編制熱壁熱流加熱控制程序。
[0023]將由熱流傳感器測(cè)量記錄下的金屬薄板表面的“熱壁熱流-時(shí)間”數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，作為熱流邊界條件控制程序的預(yù)設(shè)值。
[0024]步驟g:對(duì)真實(shí)試驗(yàn)件按熱壁熱流邊界條件進(jìn)行福射加熱試驗(yàn)。
[0025]使用熱控系統(tǒng)對(duì)表面附有燒蝕防熱涂層或非金屬材料的真實(shí)試驗(yàn)件按照上述“冷壁熱流”一“溫度”一“熱壁熱流”轉(zhuǎn)換得到的熱壁熱流邊界條件進(jìn)行輻射加熱試驗(yàn)。
[0026]本發(fā)明的原理是:因?yàn)椴捎幂椛浞绞竭M(jìn)行的氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)時(shí)，冷壁熱流無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到。所以必須將計(jì)算出的帶有近似性的冷壁熱流邊界條件轉(zhuǎn)換為更為符合實(shí)際情況的熱壁熱流邊界條件來(lái)進(jìn)行熱環(huán)境試驗(yàn)?；诶浔跓崃?溫度-熱壁熱流之間存在固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，首先根據(jù)冷壁熱流邊界條件計(jì)算出金屬薄板表面的溫度變化曲線，然后對(duì)金屬薄板按照計(jì)算出的溫度曲線控制加熱，同時(shí)記錄下該溫度條件下的熱流傳感器的測(cè)得的熱壁熱流曲線，通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，獲得冷壁熱流所對(duì)應(yīng)的熱壁熱流邊界條件，實(shí)現(xiàn)表面附有燒蝕防熱涂層或非金屬材料結(jié)構(gòu)所必須的熱壁熱流邊界條件的輻射式熱試驗(yàn)。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0028]有些材料的表面溫度難于測(cè)量，例如:表面附有燒蝕防熱涂層的結(jié)構(gòu)，由于涂層產(chǎn)生燃燒、氣化、分解、剝離等物理或化學(xué)變化，表面溫度難于準(zhǔn)確測(cè)量；另外非金屬材料由于受到材料特性和表面狀態(tài)以及傳感器安裝等因素的影響，其表面溫度的穩(wěn)定可靠測(cè)量非常困難。因此對(duì)于燒蝕材料以及非金屬材料往往不能采用溫度邊界模擬的方式，而需要使用熱壁熱流邊界條件進(jìn)行熱環(huán)境試驗(yàn)。熱壁熱流與溫度的變化關(guān)系密切，由于燒蝕材料以及非金屬材料表面溫度的變化難于確定，在熱壁熱流計(jì)算中就缺少了一個(gè)重要的溫度參數(shù)，因此燒蝕材料和非金屬材料的準(zhǔn)確的熱壁熱流邊界條件難于通過(guò)理論計(jì)算得到。傳統(tǒng)的方法是在不得已的情況下，先假設(shè)在加熱過(guò)程中試驗(yàn)件的表面溫度不變化，始終保持在一個(gè)固定溫度上(雖然這不符合實(shí)際情況)，再計(jì)算出所謂的“冷壁(表面溫度不變化)”熱流。由于在輻射式氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中，冷壁熱流無(wú)法通過(guò)測(cè)量得到，因此試驗(yàn)時(shí)必須先轉(zhuǎn)換成熱壁熱流邊界條件，由于在加熱過(guò)程中燒蝕材料前表溫度始終在不斷變化，且難于確定，因此將“冷壁”熱流轉(zhuǎn)換成熱壁熱流的工作非常困難。本發(fā)明根據(jù)冷壁熱流-溫度-熱壁熱流之間存在固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，將冷壁熱流邊界條件轉(zhuǎn)換為實(shí)際所需的熱壁熱流邊界條件，同時(shí)也避免了在試驗(yàn)中對(duì)燒蝕材料和非金屬材料不穩(wěn)定的前表面的溫度測(cè)量。該方法準(zhǔn)確可靠，為高速飛行器輻射式氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)提供了一種實(shí)用的熱流環(huán)境邊界條件確定方法，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明的冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流方法的流程圖；
[0030]圖2為本發(fā)明的冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流方法的過(guò)程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031]如圖1所示，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如下:
[0032]1、金屬板選用耐高溫鎳基不銹鋼lCrl8Ni9Ti，熔點(diǎn)為1450°C，該材料在高溫下的抗變形能力比較好；金屬薄板厚度范圍選擇為1.0-2.0mm,因?yàn)樘窳藷崛荽?對(duì)于快速變化的熱環(huán)境的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，熱滯后現(xiàn)象嚴(yán)重。太薄了容易變形，經(jīng)試驗(yàn)后確定在1.0-2.0mm之間比較合適。金屬薄板的平面尺寸選擇為單邊長(zhǎng)度為100mm-120mm，由于面積不是太大，受熱后的面外變形量處于可用范圍之內(nèi)，該金屬薄板的邊長(zhǎng)與厚度之比處于60:1至120:1之間，其寬、厚比很大，因此可近似成為二維平面狀態(tài)，邊界處的三維效應(yīng)的影響可以忽略。
[0033]2、根據(jù)冷壁熱流計(jì)算出金屬薄板表面的溫度變化曲線:
[0034]設(shè)金屬薄板初始溫度為h，厚度為h，金屬薄板的一側(cè)受熱，其熱流密度為q。當(dāng)金屬薄板的周向邊界基本為絕熱狀態(tài)時(shí)，平面范圍內(nèi)金屬薄板溫度差別不大，熱量主要沿厚度方向傳遞。設(shè)任意時(shí)刻金屬薄板內(nèi)部溫度分布函數(shù)為t(x，τ)，χ為沿金屬薄板厚度方向的坐標(biāo)(O彡X彡h)，τ為時(shí)間變量，金屬板內(nèi)部溫度t(x，τ)由非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程確定:
[0035]ρ-- — = k(0<v</7)[I]
p dr d~x
[0036]k為金屬薄板的導(dǎo)熱系數(shù)，P為金屬薄板的密度，Cp為金屬薄板的比熱容。
[0037]根據(jù)微分方程[I]的初始溫度條件以及受熱面冷壁熱流、散熱面與外部環(huán)境之間的對(duì)流換熱與輻射換熱等邊界條件，可解出任意時(shí)刻金屬板沿厚度方向的溫度分布，進(jìn)而得到金屬薄板前表面溫度與時(shí)間的變化曲線。
[0038]金屬薄板前表面的溫度隨時(shí)間變化的曲線具體求解步驟如下:
[0039](I)確定初始溫度條件。
[0040]當(dāng)時(shí)間變量τ = O,金屬薄板的初始溫度t(x, τ ) = t (x, O) = tQ。
[0041](2)確定金屬薄板受熱面以及散熱面的邊界條件。
[0042]在受熱面，金屬薄板受到大小為q的熱流密度的加熱。則金屬薄板的受熱面的熱邊界條件可以描述為:

Ot
[0043]x = 0? —k — 二 q[2]

dx
[0044]在散熱面(X = h處)，考慮到金屬薄板的散熱面面對(duì)開放的外部空間，與外部空間的熱交換由表面與空氣自然對(duì)流換熱以及表面與環(huán)境的輻射換熱兩部分組成。
[0045]在散熱面(X = h處)，金屬薄板的總熱流密度q的描述如下:
[0046]q = qh+qr[3]
[0047]式中，qh為自然對(duì)流換熱熱流密度，qr為輻射換熱熱流密度。
[0048]在金屬薄板散熱面，自然對(duì)流換熱熱流qh為:
[0049]qh = h (t (h, τ )-ta)[4]
[0050]式中:h為對(duì)流換熱系數(shù)，t(h, τ)為τ時(shí)刻金屬薄板散熱面的溫度,t α為外部空間溫度。
[0051]自然對(duì)流換熱系數(shù)h，由式[5]確定:
,Nul
[0052]h =--[5]
H
[0053]其中λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，H為金屬薄板試驗(yàn)件的邊長(zhǎng)。Nu為努塞爾數(shù)，從物理意義上講，它是無(wú)量綱的對(duì)流換熱系數(shù)。
[0054]金屬薄板試驗(yàn)件豎直放置，散熱面與空氣通過(guò)自然對(duì)流換熱。努塞爾數(shù)Nu采用均勻壁溫邊界條件的大空間自然對(duì)流傳熱的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式:
[0055]Nu = C (GrPr)η[6]
[0056]Gr為格拉曉夫數(shù)，是自然對(duì)流換熱過(guò)程中浮升力和粘滯力比值的一種度量，計(jì)算格拉曉夫數(shù)時(shí)用到的氣體物性參數(shù)與氣體的定性溫度有關(guān)；Pr為普朗特?cái)?shù)，是流體本身隨溫度變化的物性參數(shù)；C和η是與自然對(duì)流流態(tài)有關(guān)的常數(shù)。
[0057]由式[4]_式[6]可解出金屬板散熱面的自然對(duì)流換熱熱流密度qh。而金屬薄板散熱面和外部空間的輻射換熱熱流密度為:
[0058]qr = εσ{?(/?, τ)4 - <)[7]
[0059]其中，ε為金屬薄板散熱面的發(fā)射率；σ為黑體輻射常數(shù)，其值為5.67X10_8W/(m2.K4) ；t(h, τ)為金屬薄板散熱面溫度，ta為外部空間溫度。
[0060]通過(guò)式[4]和式[7]，可確定金屬板在散熱面的熱邊界條件。
[0061](3)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的離散化
[0062]將金屬板厚度平均分成η-1份，得到η-1個(gè)計(jì)算子區(qū)域和η個(gè)計(jì)算空間節(jié)點(diǎn)；將計(jì)算時(shí)間分成m-Ι份，得到m個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算區(qū)域和計(jì)算時(shí)間的劃分后，可以得到每個(gè)時(shí)刻，每個(gè)空間節(jié)點(diǎn)上的溫度、比熱容等熱物理量。根據(jù)金屬板厚度方向上每個(gè)空間節(jié)點(diǎn)的熱物理量，采用差分方法，將非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程[I]離散化，得到離散方程組。
[0063](4)求解離散方程組
[0064]將以上金屬薄板初始溫度條件和受熱面以及散熱面的熱邊界條件代入離散方程組，通過(guò)迭代法求解該離散方程組，即可得到加熱過(guò)程中不同時(shí)刻的各空間節(jié)點(diǎn)的溫度值。為了對(duì)前表面的溫度進(jìn)行計(jì)算，將沿厚度方向的坐標(biāo)X取為0(x = O表示金屬薄板受熱面的位置)，即可得到金屬薄板前表面溫度隨時(shí)間的變化曲線t(x，τ )。
[0065]3、將由冷壁熱流計(jì)算出金屬薄板前表面的“溫度”和與其對(duì)應(yīng)的“時(shí)間”數(shù)據(jù)分別放在2個(gè)數(shù)組之中，輸入計(jì)算機(jī)作為控制程序的“溫度-時(shí)間”預(yù)設(shè)值，以便通過(guò)熱控系統(tǒng)形成與冷壁熱流相互對(duì)應(yīng)的金屬薄板表面的溫度變化環(huán)境。
[0066]4、將金屬薄板試驗(yàn)件放置于于距石英燈紅外福射加熱陣列50_70mm處,并在金屬薄板前表面的中心部位焊接一只測(cè)溫用的熱電偶傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量金屬薄板全表面的溫度變化，試驗(yàn)時(shí)由熱電偶傳感器將連續(xù)變化的金屬板表面溫度值采入，經(jīng)信號(hào)放大后，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。再將測(cè)量到的溫度值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較后，將偏差送入控制程序，計(jì)算機(jī)通過(guò)控制算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到控制量，并經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)可控硅功率調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)紅外輻射加熱裝置上的電功率，從而完成金屬薄板前表面預(yù)設(shè)溫度的動(dòng)態(tài)控制。
[0067]5、為了在試驗(yàn)加熱的過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)記錄下到達(dá)金屬薄板的前表面的熱壁熱流數(shù)據(jù)，并使熱流傳感器表面感知的熱壁熱流與金屬薄板前表面的熱壁熱流數(shù)據(jù)一致，將熱流傳感器的前表面與金屬薄板表面安裝在同一加熱平面上，在石英燈紅外輻射陣列按照預(yù)設(shè)溫度曲線對(duì)金屬薄板進(jìn)行加熱時(shí)，與金屬薄板處于同一平面上的熱流傳感器就會(huì)記錄下到達(dá)金屬薄板前表面的熱壁熱流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。
[0068]6、將由上述試驗(yàn)中熱流傳感器測(cè)量記錄下的金屬薄板表面的“熱壁熱流-時(shí)間”數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，作為熱壁熱流邊界條件控制程序的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)。
[0069]7、本發(fā)明通過(guò)如圖2所示的“冷壁熱流”一“溫度”一“熱壁熱流”的理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法得到了熱壁熱流和冷壁熱流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中“冷壁熱流”一“溫度”的對(duì)應(yīng)關(guān)系采用理論計(jì)算的方法，“溫度”一“熱壁熱流”的對(duì)應(yīng)關(guān)系采用試驗(yàn)測(cè)試的方法，最終獲得了難于得到的燒蝕材料以及非金屬材料的熱壁熱流邊界條件。在使用瞬態(tài)氣動(dòng)熱試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)對(duì)非金屬材料或表面附有燒蝕防熱涂層試驗(yàn)件進(jìn)行隔熱試驗(yàn)時(shí)，就可按照熱壁熱流對(duì)加熱過(guò)程進(jìn)行控制。本發(fā)明為高速飛行器輻射式氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)提供了一種可實(shí)際應(yīng)用的熱壁熱流確定方法。對(duì)于導(dǎo)彈等高速飛行器材料的隔熱效能試驗(yàn)驗(yàn)證以及安全可靠性設(shè)計(jì)有重要意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
[0070]本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟a:綜合考慮金屬薄板的材質(zhì)、平面尺寸與厚度之間的關(guān)系，選擇金屬薄板，使金屬薄板近似為二維平面試驗(yàn)件，要能耐上千度的高溫，在加熱過(guò)程中不產(chǎn)生大的平面翹曲變形，并通過(guò)試驗(yàn)予以確認(rèn)； 步驟b:將冷壁熱流作用在金屬薄板受熱面上，并確定金屬薄板的初始溫度條件以及散熱面與外部環(huán)境之間的對(duì)流換熱與輻射換熱的邊界條件，得到金屬薄板受熱面的“冷壁熱流-時(shí)間”變化曲線；然后根據(jù)金屬薄板受熱面的“冷壁熱流-時(shí)間”變化曲線、通過(guò)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程計(jì)算出金屬薄板前表面的“溫度-時(shí)間”變化曲線，并將金屬薄板前表面的“溫度-時(shí)間”變化曲線數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，作為熱控制程序的預(yù)設(shè)值； 步驟c:利用由步驟a確定的材質(zhì)、厚度及平面尺寸的金屬薄板作為試驗(yàn)件，對(duì)金屬薄板按照步驟b計(jì)算出的“溫度-時(shí)間”變化曲線控制加熱，金屬薄板的前表面焊接有測(cè)溫用的熱電偶傳感器，熱控制系統(tǒng)對(duì)金屬薄板加熱，同時(shí)對(duì)金屬薄板前表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，將測(cè)量溫度數(shù)據(jù)作為反饋值，與上述計(jì)算出來(lái)的相應(yīng)時(shí)刻的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，獲得偏差量后經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算得到控制調(diào)節(jié)量，通過(guò)可控硅調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)調(diào)整石英燈紅外輻射陣列上的工作電壓，模擬預(yù)設(shè)的金屬薄板表面的“溫度-時(shí)間”熱環(huán)境； 步驟d:將熱流傳感器安裝在金屬薄板的近旁，并使熱流傳感器的前表面與金屬薄板的前表面處于同一平面上，保證在加熱過(guò)程中到達(dá)金屬薄板前表面的熱壁熱流值和到達(dá)熱流傳感器前表面的熱流值大小一致；使用石英燈紅外輻射陣列按照由冷壁熱流計(jì)算出的金屬薄板表面溫度曲線對(duì)金屬板進(jìn)行加熱，并由熱流傳感器實(shí)時(shí)記錄下到達(dá)金屬薄板前表面的熱壁熱流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，將其作為熱壁熱流邊界條件； 步驟e:將由熱流傳感器測(cè)量記錄下的金屬薄板表面的“熱壁熱流-時(shí)間”關(guān)系數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，作為熱流邊界條件加熱控制程序的預(yù)設(shè)值； 步驟f:使用熱控系統(tǒng)對(duì)非金屬材料或表面附有燒蝕防熱涂層的真實(shí)試驗(yàn)件按照上述由“冷壁熱流”一“溫度”一“熱壁熱流”轉(zhuǎn)換得到的熱壁熱流邊界條件進(jìn)行輻射加熱試驗(yàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法，其特征在于:所述步驟a中，金屬板材質(zhì)為鎳基不銹鋼lCrl8Ni9Ti，其熔點(diǎn)約為1450°C ;金屬板厚度取在1.0mm-2.0mm之間，金屬薄板的平面尺寸的邊長(zhǎng)為100mm-120mm,其邊長(zhǎng)與厚度之比處于60:1至120:1之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法，其特征在于:所述步驟c中的金屬薄板處于距離石英燈紅外福射加熱陣列50-70mm之處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中冷壁熱流轉(zhuǎn)換為熱壁熱流的方法，其特征在于:所述步驟d中，將熱流傳感器的前表面與金屬薄板前表面安裝在同一加熱平面上，保證熱流傳感器表面感知的熱壁熱流與金屬薄板的前表面的熱壁熱流具有良好的一致性。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK104267062SQ201410568947
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】吳大方, 王岳武, 楊嘉陵, 高鎮(zhèn)同, 麥漢超 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)