热容燃烧室内壁瞬态热流密度测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种热容燃烧室内壁瞬态热流密度测量方法及装置，其中方法包括：获取温度采集装置所采集到的燃烧室内壁预设距离处的单点温度数据；建立一维瞬态导热方程，将时间域进行划分为时间微元，通过导热过程计算得到每个时间微元对应的温度场；针对每个时间微元，根据单个测量位置的温度数据和所述温度场，计算每个迭代步的方差，根据相邻两个迭代步的方差和相邻两个迭代步的热流之差判断满足收敛条件时，计算得到该时间微元的平均热流；根据每个时间微元的平均热流，通过线性插值方法计算得到任一时刻的内壁的瞬态热流；根据所述瞬态热流和所述一维瞬态导热方程计算得到内壁瞬态温度值；如此，可以提高测量的准确性。

Measuring Method and Device of Transient Heat Flux Density on the Wall of Heat Capacity Combustor

The invention provides a method and device for measuring the transient heat flux density of the wall of a heat capacity combustion chamber, which includes acquiring the single point temperature data at the preset distance of the wall of the combustion chamber collected by a temperature acquisition device, establishing a one-dimensional transient heat conduction equation, dividing the time domain into time micro-elements, and adopting a heat conduction process meter. The temperature field corresponding to each time element is calculated; for each time element, the variance of each iteration step is calculated according to the temperature data of a single measuring position and the temperature field, and the convergence condition is judged by the variance of the adjacent two iteration steps and the difference of the heat flow of the adjacent two iteration steps. The average heat flow of the element; the transient heat flow of the inner wall at any time can be calculated by linear interpolation method according to the average heat flow of each time element; the transient temperature of the inner wall can be calculated by the transient heat flow and the one-dimensional transient heat conduction equation; thus, the accuracy of measurement can be improved.

【技术实现步骤摘要】
热容燃烧室内壁瞬态热流密度测量方法及装置
本专利技术涉及火箭发动机热防护
，具体而言，涉及一种热容燃烧室内壁瞬态热流密度测量方法及装置。
技术介绍
在火箭发动机热防护试验时，其内壁的热流密度是需要测量的重要参数之一。发动机燃烧室燃气温度很高，高性能发动机一般高于3000K，热流密度特别大，直接的热流测量方法应用受到限制。比如热流计，在超高热流密度环境下无法使用。当前应用于发动机试验环境中的间接测量方法主要有量热法、梯度法和瞬态两点法等。其中前两种适用于稳态长时间工作状态，量热式燃烧室利用多段带有冷却套的试验段组成，通过测量每一段入口和出口冷却剂的温度，从而计算得到该段的平均热流。梯度法通过测量离内壁两个或两个以上不同深度处的稳态温度，运用傅里叶定律反推得到内壁热流密度。瞬态两点法通过测量离内壁两个不同深度处的瞬态温度，通过测量温度作为温度边界或将温度表示为特定的随空间和时间的函数，从而计算得到内壁热流密度。然而，在热容发动机燃烧室点火试验中，量热法和梯度法无法运用到瞬态工况中，瞬态两点法一般采用定制的双测点热电偶或是单测点的热电偶组，双测点热电偶加工困难，同时由于内部测点位于内壁，容易被烧毁，而利用单测点热电偶组的方法则十分依赖于两个测点的相对测量准确度，往往很难获得理想的结果。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种热容燃烧室内壁瞬态热流密度测量方法及装置，以实现对热容室内壁瞬态温度的测量。第一方面，本专利技术实施例提供了一种热容燃烧室内壁瞬态热流密度测量方法，包括：获取温度采集装置所采集到的燃烧室内壁预设距离处的单点温度数据；建立一维瞬态导热方程，将时间域进行划分为时间微元，通过导热过程计算得到每个时间微元对应的温度场；针对每个时间微元，根据单个测量位置的温度数据和所述温度场，计算每个迭代步的方差，根据相邻两个迭代步的方差和相邻两个迭代步的热流之差判断满足收敛条件时，计算得到该时间微元的平均热流；根据每个时间微元的平均热流，通过线性插值方法计算得到任一时刻的内壁的瞬态热流；根据所述瞬态热流和所述一维瞬态导热方程计算得到内壁瞬态温度值。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述建立一维瞬态导热方程，将时间域进行划分为时间微元，通过逆导热过程计算得到每个时间微元对应的内壁材料温度场，包括：建立如公式(1)所示的一维瞬态导热方程；其中，T为材料温度，t为时间，r为空间上的径向位置的半径，ρ、cp和λ分别为壁面材料的密度、比热和导热系数；将时间域进行划分为时间微元；在每个时间微元内视为定热流边界，设置给定的热流密度边界，如下公式(2)，其中，q′k为第k个时间微元的热流密度边界，Dc为燃烧室内径；针对燃烧室外壁温度，设置绝缘边界，如下公式(3)，其中，Do为燃烧室外径；对于第一个时间微元以室温作为初始温度，对于其他时间微元，以上一个时间微元迭代结束时刻的温度场作为初始温度，基于上述的公式(1)、(2)和(3)计算得到第k个时间微元的温度场T(q′k)，T(q′k)是温度变量T的矩阵表示形式。结合第一方面的第一种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述针对每个时间微元，根据单个测量位置的温度数据和所述温度场，计算每个迭代步的方差，根据相邻两个迭代步的方差相邻两个迭代步的热流之差判断满足收敛条件时，得到该时间微元的平均热流，包括：根据所述第k个时间微元的温度场T(q′k)，建立雅可比矩阵，如公式(4)，其中，所述雅可比矩阵的各元素由以下公式(5)得到：其中，Jj为是第j个温度测量点处的变量温度随热流的变化率，ε为设定的用于求解变化率的量值，qk′为第k个时间微元的热流值；由以上一个迭代步中的热流值和所述雅可比矩阵，按照公式(6)计算下一次迭代步中的热流值其中，μ(n)为第n次迭代步的阻尼因子，I为单位对角矩阵，n用于指示第n次迭代步，Texp为温度向量，J(n)雅可比矩阵第n次迭代的值组成的向量；按照如下所述方式分别计算前后两次迭代的方差：根据计算得到的第k个时间微元的温度场T(q′k)和所述测量装置所测量得到的测量点的温度数据，按照如下公式(7)，计算方差S(q′k)，其中，m为测点位置在时间微元内选取的用于对比的测量温度点数目，j为温度测量点的编号，Texp,j为第j个温度测量点的温度数据；并判断后一次迭代的方差是否小于前一次迭代的方差；如果是，根据前后两次迭代得到的热流值之差的绝对值与预设的收敛残差进行判断是否收敛；如果收敛，将最后得到的热流值作为当前时间微元的平均热流值；如果不收敛，则进行下一次迭代步的计算，直至最终满足收敛条件。结合第一方面的第二种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述如果不收敛，则进行下一次迭代的计算，包括：如果不收敛，设置使下一次的迭代的阻尼因子μ(n+1)＝0.5μ(n)，然后进行下一次迭代计算。结合第一方面的第二种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面得第四种可能的实施方式，其中，所述分别计算前后两次迭代的方差之后，还包括：如果判断后一次迭代的方差不小于前一次迭代的方差，则设置使μ(n+1)＝2μ(n)，然后进行下一次迭代计算，直至满足迭代终止条件。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种热容燃烧室内壁瞬态热流密度测量装置，包括：获取模块，用于获取测量装置所测量得到的测量点的温度数据；第一计算模块，用于建立一维瞬态导热方程，将时间域进行划分为时间微元，通过导热过程计算得到每个时间微元对应的内壁材料温度场；第二计算模块，用于针对每个时间微元，根据单个测量位置的温度数据和所述温度场，计算每个迭代步的方差，根据相邻两个迭代步的方差和相邻两个迭代步的热流之差判断满足收敛条件时，计算得到该时间微元的平均热流；第三计算模块，用于根据每个时间微元的平均热流，通过线性插值方法计算得到任一时刻的内壁的瞬态热流；第四计算模块，用于根据所述瞬态热流和所述一维瞬态导热方程计算得到内壁瞬态温度值。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一计算模块，具体用于：建立如公式(1)所示的一维瞬态导热方程；其中，T为材料温度，t为时间，r为空间上的径向位置的半径，ρ、cp和λ分别为壁面材料的密度、比热和导热系数；将时间域进行划分为时间微元；在每个时间微元内视为定热流边界，设置给定的热流密度边界，如下公式(2)，其中，q′k为第K个时间微元的热流密度边界，Dc为燃烧室内径；针对燃烧室外壁温度，设置绝缘边界，如下公式(3)，其中，Do为燃烧室外径；对于第一个时间微元以室温作为初始温度，对于其他时间微元，以上一个时间微元迭代结束时刻的温度场作为初始温度，基于上述的公式(1)、(2)和(3)计算得到第k个时间微元的温度场T(q′k)，T(q′k)是温度变量T的矩阵表示形式。结合第二方面的第一种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第一计算模块，具体用于：根据所述第k个时间微元的温度场T(q′k)，建立雅可比矩阵，如公式(4)，其中，所述雅可比矩阵的各元素由以下公式(5)得到：其中，Jj为是第j个温度测量点处的变量温度随热流的变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热容燃烧室内壁瞬态热流密度测量方法，其特征在于，包括：获取温度采集装置所采集到的燃烧室内壁预设距离处的单点温度数据；建立一维瞬态导热方程，将时间域进行划分为时间微元，通过导热过程计算得到每个时间微元对应的温度场；针对每个时间微元，根据单个测量位置的温度数据和所述温度场，计算每个迭代步的方差，根据相邻两个迭代步的方差和相邻两个迭代步的热流之差判断满足收敛条件时，计算得到该时间微元的平均热流；根据每个时间微元的平均热流，通过线性插值方法计算得到任一时刻的内壁的瞬态热流；根据所述瞬态热流和所述一维瞬态导热方程计算得到内壁瞬态温度值。

【技术特征摘要】
1.一种热容燃烧室内壁瞬态热流密度测量方法，其特征在于，包括：获取温度采集装置所采集到的燃烧室内壁预设距离处的单点温度数据；建立一维瞬态导热方程，将时间域进行划分为时间微元，通过导热过程计算得到每个时间微元对应的温度场；针对每个时间微元，根据单个测量位置的温度数据和所述温度场，计算每个迭代步的方差，根据相邻两个迭代步的方差和相邻两个迭代步的热流之差判断满足收敛条件时，计算得到该时间微元的平均热流；根据每个时间微元的平均热流，通过线性插值方法计算得到任一时刻的内壁的瞬态热流；根据所述瞬态热流和所述一维瞬态导热方程计算得到内壁瞬态温度值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立一维瞬态导热方程，将时间域进行划分为时间微元，通过求解正向导热过程计算得到每个时间微元对应的温度场，包括：建立如公式(1)所示的一维瞬态导热方程；其中，T为材料温度，t为时间，r为空间上的径向位置的半径，ρ、cp和λ分别为壁面材料的密度、比热和导热系数；将时间域进行划分为时间微元；在每个时间微元内视为定热流边界，设置给定的热流密度边界，如下公式(2)，其中，q′k为第k个时间微元的热流密度边界，Dc为燃烧室内径；针对燃烧室外壁温度，设置绝缘边界，如下公式(3)，其中，Do为燃烧室外径；对于第一个时间微元以室温作为初始温度，对于其他时间微元，以上一个时间微元迭代结束时刻的温度场作为初始温度，基于上述的公式(1)、(2)和(3)计算得到第k个时间微元的温度场T(q′k)，T(q′k)是温度变量T的矩阵表示形式。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述针对每个时间微元，根据单个测量位置的温度数据和所述温度场，计算每个迭代步的方差和，根据相邻两个迭代步的方差和相邻两个迭代步的热流之差判断满足收敛条件时，得到该时间微元的平均热流，包括：根据所述第k个时间微元的温度场T(q′k)，建立雅可比矩阵，如公式(4)，其中，所述雅可比矩阵的各元素由以下公式(5)得到：其中，Jj为是第j个温度测量点处的变量温度随热流的变化率，ε为设定的用于求解变化率的量值，q′k为第k个时间微元的热流值；由以上一个迭代步中的热流值和所述雅可比矩阵，按照公式(6)计算下一次迭代步中的热流值其中，μ(n)为第n次迭代步的阻尼因子，I为单位对角矩阵，n用于指示第n次迭代步，Texp为温度向量，J(n)雅可比矩阵第n次迭代的值组成的向量；按照如下所述方式分别计算前后两次迭代的方差：根据计算得到的第k个时间微元的温度场T(q′k)和所述测量装置所测量得到的测量点的温度数据，按照如下公式(7)，计算方差S(q′k)，其中，m为测点位置在时间微元内选取的用于对比的测量温度点数目，j为温度测量点的编号，Texp,j为第j个温度测量点的温度数据；并判断后一次迭代的方差是否小于前一次迭代的方差；如果是，根据前后两次迭代得到的热流值之差的绝对值与预设的收敛残差进行判断是否收敛；如果收敛，将最后得到的热流值作为当前时间微元的平均热流值；如果不收敛，则进行下一次迭代步的计算，直至最终满足收敛条件。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述如果不收敛，则进行下一次迭代的计算，包括：如果不收敛，设置使下一次的迭代的阻尼因子μ(n+1)＝0.5μ(n)，然后进行下一次迭代计算。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分别计算前后两次迭代的方差之后，还包括：如果判断后一次迭代的方差不小于前一次迭代的方差，则设置使μ(n+1)＝2μ(n)，然后进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙冰，王太平，向纪鑫，刘迪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11