摘要:塞塊式瞬態(tài)量熱計是氣動加熱地面模擬試驗?zāi)Ｐ椭斜砻胬浔跓崃髦饕獪y量手段之一,對塞塊式瞬態(tài)量熱計測試結(jié)果進行了誤差分析,并采用有限差分原理,建立了數(shù)學分析模型,編制了瞬態(tài)量熱計測量結(jié)果修正計算程序,并對一些典型的測試結(jié)果進行了修正和分析。

1 引 言

飛行器在大氣層內(nèi)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(chǎn)生的阻滯作用,沿飛 行器外壁面氣流的機械能被轉(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(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮的一個問題,而利用電弧風洞等地面加熱設(shè)備,對飛行器的防熱材料、防熱結(jié)構(gòu)進行地面模擬試驗研究是飛行器設(shè)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(shù)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(shù),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(jié)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(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(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測量結(jié)果影響較小。

事實上,在被測熱流較高時,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(jié)果進行修正。

4 測試結(jié)果的分析修正方法

若根據(jù)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(dǎo)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(shù)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(nèi)各時刻的溫度以及對流換熱系數(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(shù)進行修正,直至最下部點溫升接近試驗數(shù)據(jù)。在迭代過程中,根據(jù)各點溫升,對導(dǎo)熱系數(shù)、比熱 容、密度加以修正。最后獲得量熱計內(nèi)各點的溫升和換熱系數(shù),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(jié)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(dǎo)熱系數(shù)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(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個單元,時間步長為1×10-5s,計算時間為5 s。

計算結(jié)果表明,塞塊量熱計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(shè)都不再成立,必須對試驗結(jié)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(nèi),塞塊內(nèi)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(nèi)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(jié)果產(chǎn)生很大影響,因此必須對試驗值進行修正。

5 結(jié) 論

采用塞塊式瞬態(tài)量熱計測量較大熱流時,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,試驗值已經(jīng)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(dǎo)熱模型和有限差分的離散方法,對試驗數(shù)據(jù)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。