瞬态加热条件下高温应变计测量误差的修正方法

摘要:塞块式瞬态量热计是气动加热地面模拟试验模型中表面冷壁热流主要测量手段之一,对塞块式瞬态量热计测试结果进行了误差分析,并采用有限差分原理,建立了数学分析模型,编制了瞬态量热计测量结果修正计算程序,并对一些典型的测试结果进行了修正和分析。

1 引 言

飞行器在大气层内高速飞行过程中,特别是航天飞行器在再入大气层的过程中,气流受到飞行器周围激波的影响以及由于气体粘性产生的阻滞作用,沿飞 行器外壁面气流的机械能被转换为热能,气流温度急剧升高,在飞行器表面周围高温、高速流场形成了对飞行器非常严重的气动加热。因此,气动热防护问题是飞行 器气动和结构设计必须考虑的一个问题,而利用电弧风洞等地面加热设备,对飞行器的防热材料、防热结构进行地面模拟试验研究是飞行器设计过程中的一个非常重 要的环节。在气动热地面模拟试验研究中,通常需要模拟的参数有气流温度(焓)、模型表面热流、气流压力、加热时间等。模型表面热流是表征气动加热量和加热 强度的重要参数,热流的准确测量对气动热地面模拟试验的精度有着重要的影响。塞块式瞬态量热计是一种加工、安装、使用等方便而且成本较低的热流测量方式, 但是对于较高热流和较长时间的测量存在铰大测量误差。本文采用有限差分方法,对测量结果进行分析修正,有效地提高了测量的精度。

2 塞块式瞬态量热计的测量原理

塞块式瞬态量热计结构如图1所示,由热流板、塞块、绝缘套、热电偶等组成。根据能量守恒的原理,采用一个导热性能良好的塞块,侧面和底面绝热, 传入塞块表面的热量全部被塞块本身吸收,并导致塞块温度上升,通过测量塞块的温升-时间曲线,计算塞块的温度梯度,从而得到传入塞块表面的热流:

3 塞块式瞬态量热计存在的问题

塞块式瞬态量热计的测量是基于以下假设:

(1)塞块的物性参数保持不变。

(2)塞块的导热性能非常好,塞块内各部位的温度均匀一致。

(3)塞块表面温度的升高对测量结果影响较小。

事实上,在被测热流较高时,塞块内温度梯度必然较大,并且随着塞块温度的增加,塞块材料的热物性参数也将随温度变化,因而所获得的热流值与实际值的误差将会较大,所以必须对塞块式瞬态量热计的测量结果进行修正。

4 测试结果的分析修正方法

若根据塞块式瞬态量热计的测量原理,用一个圆柱形的紫铜塞块去模拟实际塞块,测量出紫铜塞块底部的温度变化,可获得气流从塞块表面传入的热流。在这里,首先建立此模拟塞块的一维非稳态导热的分析模型:

上述分析模型的边界条件,与传热学的传统三类边界条件都有所不同,在这里塞块表面的换热系数α未知,而气流温度tg和塞块底部的温度随时间变化 已知,要求求出塞块内各时刻的温度以及对流换热系数。因此,在具体算法上采取迭代求解的方式,首先以最下部一个单元的温升作为塞块的平均温升计算输入热 流,计算各点的温升,与最下部点温升进行比较,进而对换热系数进行修正,直至最下部点温升接近试验数据。在迭代过程中,根据各点温升,对导热系数、比热 容、密度加以修正。最后获得量热计内各点的温升和换热系数,从而得到气动加热试验所要求真正模拟的冷壁热流。这里以某飞行器气动热地面模拟试验的瞬态量热 计为例,对试验测量结果进行了修正计算。图2是实验测得塞块底部温升曲线,图3是实验获得热流曲线和修正后的温升曲线。

该瞬态量热计采用导热系数较好的无氧铜材料,在温度为300 k时,比热容cp=0·386 kj/(kg·k),密度ρ=8930 kg/m3,导热系数λ=401 w/(m·k),该材料的物性参数随温度变化而变化。塞块直径9 mm,厚度为12 mm,将塞块沿厚度方向均匀分为10个单元,时间步长为1×10-5s,计算时间为5 s。

计算结果表明,塞块量热计在受到较大热流加热的情况下,内部将很快产生温升梯度,如图2所示,在较长时间的测量过程中,塞块表面温度将远远大于 初始值,因此采用塞块式量热计测量模型表面的三个假设都不再成立,必须对试验结果进行修正,才能保证气动热地面模拟试验的准确性。图3给出了试验获得的热 流曲线和计算修正后的热流曲线,从图中可以看出,在试验开始后短时间内,塞块内温升很小的情况下,试验值和修正值之间的差别是很小的,但是随着塞块内温度 的提高,试验值和修正值之间的差距越来越大。在此算例中,当试验时间达到4s时,表面温度超过500 k,试验热流值和修正值的差别达到25%,这必将对气动热试验结果产生很大影响,因此必须对试验值进行修正。

5 结 论

采用塞块式瞬态量热计测量较大热流时,由于塞块内温度升高,塞块物性参数都发生了较大变化,试验值已经不能反映模型表面的真实冷壁热流,必须进 行修正。采用一维瞬态导热模型和有限差分的离散方法,对试验数据进行理论分析修正,可以获得比较真实的冷壁热流,从而可以提高模拟加热试验的准确性。