一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法技术方案

本发明专利技术涉及一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法，是利用近红外激光吸收光谱诊断技术直接测量电弧加热器喷管出口自由流的流场参数，基于H2O双线测温获得电弧加热器喷管出口自由流的气流温度和速度，结合热平衡气流焓值与温度、压力的定量关系获得喷管出口的当地气流总焓，该方法提高了焓值测量的精度，适用于焓值范围1500kJ/kg‑7500kJ/kg内的管式、交流、长分段等多种类型的低焓电弧加热器气流焓值测量；同时该方法为一种非接触式的测量方法，对流场没有干扰，不依赖于其他测量参数和机械加工的精度，可实现流场参数的精确测量，可作为目前焓值测量方法的有力补充。

A Diagnostic System and Method for Air Enthalpy of Low Enthalpy Arc Heater

The present invention relates to a diagnostic system and a diagnostic method for the enthalpy of low enthalpy arc heater. The flow field parameters of free flow at the nozzle exit of arc heater are measured directly by near infrared laser absorption spectroscopy diagnostic technology. The temperature and velocity of free flow at the nozzle exit of arc heater are obtained based on the double-line temperature measurement of hydrogen peroxide, and the quantitative relationship between the enthalpy of heat-balanced flow and temperature and pressure is combined. The total enthalpy of local air flow at nozzle exit is obtained. This method improves the accuracy of enthalpy measurement. It is suitable for the measurement of enthalpy of low enthalpy arc heater in tube, AC, long segment and other types within the enthalpy range of 1500kJ/kg 7500kJ/kg. At the same time, this method is a non-contact measurement method, which has no interference to the flow field and does not depend on other measurement parameters and precision of mechanical processing. Degree can be used to measure the flow field parameters accurately, which can be a powerful complement to the current enthalpy measurement methods.

【技术实现步骤摘要】
一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法
本专利技术涉及一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统及诊断方法，属于飞行器地面气动热试验研究领域。
技术介绍
电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要试验平台，其通过电弧加热的方式产生高温气流，模拟飞行器再入过程中的焓值和热流参数，开展热防护系统的地面试验研究。对于气动热地面模拟试验，其关键之一在于获得准确的模拟参数：气流总焓。目前关于电弧加热器焓值测量主要有以下几种方法：1.能量平衡法。这种方法是通过投入的功率(电弧电压×电弧电流)减去电弧加热器各部件冷却水带走的能力损失获得净投入功率，净投入的功率与质量流量之比即为气体总焓。这种方法非常简单，但是它对于电弧加热器各部件冷却水能量损失的测量要求很高，在空气流量较低时，其误差会进一步方法，目前不作为本研究室焓值测量的首选手段。2.平衡声速法。平衡声速流量法是假定喷管喉道前的气流处于热平衡、等熵、一元均质流、定常条件下，利用连续方程、能量方程和高温气体热力学性能，通过测量电弧加热器内的压力，上游供气流量，喷管喉道来获得总焓。该方法是由Winovich,W在1964年通过大量实验数据拟合而成，目前已成为应用最广泛的一种焓值确定方法之一。但应用平衡声速法测量焓值主要面临三个问题：1)拟合公式与对应实际试验数据存在偏差，Winovich提出，公式(1)中的偏差在4％左右，反映到焓值的偏差在10％。NASA研究人员在AIAA2011-3475一文中提出，保守估计，在95％置信度上该公式计算值偏差高于5％；(2)方法本身依赖于混合室压力、供气压力、供气温度测量精度和音速喷嘴直径、喷管喉道直径的机械加工精度。气流总焓对上述参数变化非常敏感，混合室压力、上游压力测量变化1％，反映到焓值变化均为2.519％；音速喷嘴直径、喷管喉道直径变化1％，反映到焓值变化均高于5％，而喷管喉道经受多车次、长时间的高热流烧蚀，其实际喉道面积与名义面积的偏差不断变大，这些因素的影响对于焓值精确测量提出了很高的要求；(3)该方法获得气体总焓是喷管前加热器混合室内的容积焓，在喷管绝热假设下，将其等同于喷管出口自由流的当地气流总焓。对于实际电弧风洞试验，喷管部分存在热损失，出口气流总焓和混合室内容积焓之间存在偏差。在热平衡流条件下，气体总焓是当地总温和总压的函数，在确定总温和总压后可通过高温热力学参数表获得气体总焓，而气流总温可通过直接测量喷管出口自由流的静温和速度获得。在流场参数测量方面，以激光吸收光谱技术为代表的非接触式光谱测量方法具备对流场温度、速度、浓度、压力等参数实时诊断能力、定量准确且对流场无干扰的优点，是国际上高温气流诊断研究的重要方向，在超燃诊断、大型高超风洞流场测量以及工业废气监测等方面的成果卓著。Stanford大学的R.K.Hanson研究小组自世纪70年代开始进行激光吸收光谱燃烧诊断方面的工作，近年来，其研究小组利用H2O双线测温吸收光谱技术开展对超燃冲压发动机燃烧室内气流温度、组分浓度和速度的定量测量，选用合适谱线可实现从常温-3000K温度范围内的精确测量，温度测量精度低于5％。这个温度范围涵盖了目前低焓电弧加热器喷管出口自由流的静温范围，H2O激光吸收光谱技术是进行喷管出口流场诊断的理想手段，可精确测量出口自由流的总焓，但该方法目前缺乏在电弧加热器地面试验焓值测量的直接应用，没有给出具体的解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，通过激光吸收光谱直接测量电弧加热器喷管出口自由流流场参数，获得喷管出口的气流总焓，直接跳过了传统焓值测量方法对其他流体参数测量和机械加工精度的依赖，可直接获取电弧加热器气动热地面模拟试验过程中模型热考核的当地气流总焓参数。本专利技术的另外一个目的在于提供一种低焓电弧加热器气流焓值诊断方法。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，包括激光发射单元、单模光纤、光学调整单元、光纤耦合器、激光接收单元和数据分析终端，所述光学调整单元包括发射调整机构和收集调整机构，其中：激光发射单元产生两束激光信号，通过单模光纤分别传递给光学调整单元的发射调整机构，所述发射调整机构上的两路光路发射通道分别对所述两束激光信号进行准直，准直后的两路激光信号以夹角θ通过喷管出口的超声速气流；所述通过超声速气流的两路激光信号被所述光学调整单元的收集调整机构收集，并进入光纤耦合器进行耦合，之后传递给激光接收单元，所述激光接收单元将接收的激光信号转化为电信号，传递给数据分析终端；所述数据分析终端对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管出口的超声速气流的总焓；所述超声速气流由外部电弧加热器对进入的试验介质进行加热，再经喷管膨胀加速后在喷管的出口形成。在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述夹角θ的取值为30°～60°。在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述数据分析终端对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管出口的超声速气流的总焓的方法为：数据分析终端对所述接收的电信号进行分析处理，获得所述电信号的光谱吸收信号，根据所述光谱吸收信号获得所述超声速气流的温度和速度，进一步得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量关系，获得所述超声速气流的总焓。在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述数据分析终端对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管出口的超声速气流的总焓的具体方法如下：(1)、从接收的两路电信号中分别选择同一个周期的电信号数据，基于所述同一个周期电信号数据的非吸收部分，进行多项式处理，获得各自的背景信号；(2)、将所述同一个周期的电信号数据分别与对应的背景信号进行相除后取对数，获得两组光谱吸收曲线；(3)、基于Levenberg–Marquardt迭代算法，对所述两组光谱吸收曲线进行Voigt曲线拟合，获得所述两组光谱吸收曲线的积分吸收面积A1和A2，两组光谱吸收曲线的中心波长v01和v02，根据所述积分吸收面积A1和A2获得所述超声速气流的温度T，计算公式如下：其中：C1，C2为光谱常数相关量；其中：E″1,E″2为两路激光信号吸收跃迁的低能级能量，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，T0为参考温度，S1(T0)，S2(T0)为温度为T0时两路激光信号吸收跃迁的线强度。(4)、所述超声速气流的速度V通过如下公式得到：其中：c为光速，v01,λ01分别为一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，v02,λ02分别为另一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，θ为两路激光信号的夹角。(5)、根据所述超声速气流的温度T和速度V，依据热完全气体状态计算公式得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量关系，获得所述超声速气流的总焓。在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述总焓与总温、总压的定量关系，通过NASACEA热化学平衡计算软件获得高温平衡空气表，结合总温和总压获得所述超声速气流的总焓。在上述低焓电弧加热器气流焓值诊断系统中，所述光学调整单元中的发射调整机构和收集调整机构分别固定安装在喷管出口两侧，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：包括激光发射单元(3)、单模光纤(4)、光学调整单元(5)、光纤耦合器(6)、激光接收单元(7)和数据分析终端(8)，所述光学调整单元(5)包括发射调整机构和收集调整机构，其中：激光发射单元(3)产生两束激光信号，通过单模光纤(4)分别传递给光学调整单元(5)的发射调整机构，所述发射调整机构上的两路光路发射通道分别对所述两束激光信号进行准直，准直后的两路激光信号以夹角θ通过喷管(2)出口的超声速气流；所述通过超声速气流的两路激光信号被所述光学调整单元(5)的收集调整机构收集，并进入光纤耦合器(6)进行耦合，之后传递给激光接收单元(7)，所述激光接收单元(7)将接收的激光信号转化为电信号，传递给数据分析终端(8)；所述数据分析终端(8)对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管(2)出口的超声速气流的总焓；所述超声速气流由外部电弧加热器(1)对进入的试验介质进行加热，再经喷管(2)膨胀加速后在喷管(2)的出口形成。

【技术特征摘要】
1.一种低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：包括激光发射单元(3)、单模光纤(4)、光学调整单元(5)、光纤耦合器(6)、激光接收单元(7)和数据分析终端(8)，所述光学调整单元(5)包括发射调整机构和收集调整机构，其中：激光发射单元(3)产生两束激光信号，通过单模光纤(4)分别传递给光学调整单元(5)的发射调整机构，所述发射调整机构上的两路光路发射通道分别对所述两束激光信号进行准直，准直后的两路激光信号以夹角θ通过喷管(2)出口的超声速气流；所述通过超声速气流的两路激光信号被所述光学调整单元(5)的收集调整机构收集，并进入光纤耦合器(6)进行耦合，之后传递给激光接收单元(7)，所述激光接收单元(7)将接收的激光信号转化为电信号，传递给数据分析终端(8)；所述数据分析终端(8)对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管(2)出口的超声速气流的总焓；所述超声速气流由外部电弧加热器(1)对进入的试验介质进行加热，再经喷管(2)膨胀加速后在喷管(2)的出口形成。2.根据权利要求1所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述夹角θ的取值为30°～60°。3.根据权利要求1所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述数据分析终端(8)对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管(2)出口的超声速气流的总焓的方法为：数据分析终端(8)对所述接收的电信号进行分析处理，获得所述电信号的光谱吸收信号，根据所述光谱吸收信号获得所述超声速气流的温度和速度，进一步得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量关系，获得所述超声速气流的总焓。4.根据权利要求3所述的低焓电弧加热器气流焓值诊断系统，其特征在于：所述数据分析终端(8)对接收的电信号进行分析处理，得到所述喷管(2)出口的超声速气流的总焓的具体方法如下：(1)、从接收的两路电信号中分别选择同一个周期的电信号数据，基于所述同一个周期电信号数据的非吸收部分，进行多项式处理，获得各自的背景信号；(2)、将所述同一个周期的电信号数据分别与对应的背景信号进行相除后取对数，获得两组光谱吸收曲线；(3)、基于Levenberg–Marquardt迭代算法，对所述两组光谱吸收曲线进行Voigt曲线拟合，获得所述两组光谱吸收曲线的积分吸收面积A1和A2，两组光谱吸收曲线的中心波长v01和v02，根据所述积分吸收面积A1和A2获得所述超声速气流的温度T，计算公式如下：其中：C1，C2为光谱常数相关量；其中：E″1,E″2为两路激光信号吸收跃迁的低能级能量，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，T0为参考温度，S1(T0)，S2(T0)为温度为T0时两路激光信号吸收跃迁的线强度。(4)、所述超声速气流的速度V通过如下公式得到：其中：c为光速，v01,λ01分别为一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，v02,λ02分别为另一路激光信号拟合获得的中心波长和实际物理定义的中心波长，θ为两路激光信号的夹角。(5)、根据所述超声速气流的温度T和速度V，依据热完全气体状态计算公式得到所述超声速气流的总温，测量得到所述超声速气流的总压，根据总焓与总温、总压的定量...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾徽，欧东斌，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11