本发明专利技术涉及一种电弧风洞条件下平板模型表面气流恢复焓的确定方法。首先由所述的电弧加热风洞产生高温流场；测量薄壁平板模型在高温流场下的内部温度响应；利用所述的数据处理方法得到平板模型在不同壁面温度下的热壁热流密度；利用所述的恢复焓计算方法得到平板模型表面气流的恢复焓。采用本发明专利技术的方法能够简单有效的确定电弧风洞条件下平板模型表面气流恢复焓，可以为高超声速飞行器大面积热防护系统的设计和研制提供有力的试验技术支撑。
【技术实现步骤摘要】
一种电弧风洞条件下平板模型表面恢复焓确定方法
本专利技术涉及一种电弧风洞条件下平板模型表面恢复焓确定方法，属于飞行器热防护设计领域。
技术介绍
高超声速飞行器在进入大气层期间会经历极端严酷的气动加热环境，因此需要设计合适的热防护系统加以保护。热防护系统的设计通常选择飞行器飞行轨道的少数典型状态进行稳态的地面防热考核试验，再根据试验所得数据外推获得飞行轨道全程的防热数据作为设计依据。而电弧加热试验设备提供高焓、长时间、对流流动的独特能力，正是进行高超声速飞行器的材料、防热结构气动热地面考核试验研究的不可或缺的地面防热试验设备。在高超飞行器的研制过程中，需要在地面做大量的气动热模拟试验，考核防热材料的性能以及飞行器的热结构性能。从地面模拟试验考核来看，在电弧加热风洞及喷管选定以后，气流总焓、压力及热流密度成为最主要的流场表征参数。而气流表面恢复焓决定了材料模型表面能达到的最高温度，恢复焓的准确模拟对于临近空间高超声速飞行棋的低冗余度防热设计来讲极为重要。特别是微烧蚀防热材料性能处于最大承受温度边界的时候，需要地面防热试验能模拟确切的模型表面的气流恢复焓。在地面电弧地面平板模型防热考核试验中，目前都是先测量确定气流总焓，然后根据经验公式由气流总焓确定恢复焓。由于实际的试验条件下的高温气流流动中，喷管壁面的水冷作用，会带走边界层的部分能量，导致壁面气流恢复焓沿着流向逐渐衰减。不同状态下，衰减的程度都不一致，另外，由于高温流动的非平衡特征，也对喷管出口气流参数有较大影响，因此，上述的工程方法得到的恢复焓与实际偏差较大，急需更精细化的恢复焓确定方法。总的来讲，电弧风洞条件下平板模型表面恢复焓的准确确定是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电弧风洞条件下平板模型表面恢复焓的确定方法，确定电弧风洞条件下平板模型表面气流的准确恢复焓，为高超声速飞行器热防护系统的设计及研制提供有力的试验技术支撑。本专利技术目的通过如下技术方案予以实现：一种电弧风洞条件下平板模型表面恢复焓确定方法，包括如下步骤：(1)在薄壁平板测试模型(4)背面设置N个热电偶，将薄壁平板测试模型(4)放置在电弧风洞试验段内；(电弧风洞试验段要求为封闭真空空间)(2)由所述电弧风洞系统产生高温(温度为500K～10000K)气流对薄壁平板测试模型(4)进行加热，试验过程(试验过程是指：电弧加热器1工作10s以内)中测量高温气流的总压P0、高温气流的流量G和热电偶温度Te(i)(i＝1，2，3，…N)(即表示薄壁平板测试模型(4)内部温度)；(薄壁平板测试模型(4)用于模拟高超声速飞行器大面积区域防热材料表面；)(薄壁平板测试模型(4)优选为5～10mm,材质：高温合金或碳化硅板)；(3)根据试验过程中测量高温气流的总压P0、高温气流的流量G，计算高温气流的总焓H0；(4)利用测量得到的薄壁平板测试模型(4)内部温度Te(i)，计算平板测试模型在设定的温度t1和t2分别的热壁热流密度qw-t1、qw-t2。(t1与t2的温差优选大于200K，t1<t2,t1大于等于300K)(5)利用设定的温度t1和-t2，以及平板测试模型在温度t1和-t2下的热壁热流密度qw-t1、qw-t2、高温气流的总焓H0，计算确定平板模型表面气流恢复焓Hr。优选的，步骤(3)中计算高温气流的总焓H0的公式为：式中：喷管优选为拉瓦尔喷管，H0为喷管加速后的高温气体的总焓，单位为kJ/kg；P0为高温气流的总压,单位为MPa；A*为拉瓦尔喷管喉道面积，单位为mm2；G为高温气流的质量流量，单位为kg/s；Cd为流量系数。优选的，步骤(4)中计算平板测试模型的热壁热流密度qw-t1、qw-t2公式分别为：其中qw-t1为薄壁平板模型内壁温度在t1时的表面热流密度，单位为kW/m2，ρ为薄壁平板模型材料密度，单位为kg/m3，Cp为平板模型材料的比热，单位为kJ/(kg·K)，h为薄壁平板模型厚度，单位为m，t1为平板模型背面在时刻dt1时的温度，单位为℃，dt1为平板模型背面温度升到t1的时间，单位为s，t0为平板模型背面初始温度，t2为平板模型背面在时刻dt2时的温度，，dt2为平板模型背面温度升到t2的时间。优选的，所述电弧风洞包括电弧加热器(1)、混合稳压室(2)、喷管(3)和试验段及真空系统；平板测试模型(4)放置在试验段内，电弧加热器(1)产生高温气流，高温气流与混合稳压室(2)中通入的常温气体进行混合，混合后的高温气流通过喷管(3)进行加速，加速后的高温气流对平板测试模型(4)进行加热，加热后的气体最后经真空系统排出。优选的，所述电弧加热器(1)是管状电弧加热器、分段式电弧加热器或叠片式电弧加热器。优选的，所述的平板测试模型(4)为中空金属结构，薄壁平板厚度尺寸h<2mm。优选的，热电偶温度Te(i)，i＝1，2，3，…N，即表示薄壁平板测试模型(4)内部温度。进一步优选的，步骤(5)中利用平板测试模型的热壁热流密度qw-t1、qw-t2来计算确定平板模型表面气流恢复焓Hr具体公式为：(1)当气流总焓在区间600kJ/kg＜H0≤5000kJ/kg时：(2)当气流总焓在区间5000kJ/kg＜H0≤20000kJ/kg时：式中，k为恢复焓计算系数；Hw-t1为平板模型壁面温度为t1时的壁面气体焓值，单位为kJ/kg；Hw-t2为平板模型壁面温度为t2时的壁面气体焓值，单位为kJ/kg。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)本专利技术利用测量电弧风洞条件下薄壁平板模型在试验过程中的背面温度响应计算平板模型在不同温度条件下的热壁热流密度，通过本专利技术提供的公式计算得到平板模型表面气流恢复焓。为高超声速飞行器热防护系统的设计及研制提供有力的试验技术支撑和数据支持。(2)本专利技术提供了一种有效的平板模型表面气流恢复焓的测量计算方法，能获得水冷喷管壁面条件下真实有效的平板模型表面恢复焓。(3)本专利技术通过测量薄壁平板模型的背面温度，计算平板热壁热流以及平板表面气流恢复焓，鲁棒性好，效率高。附图说明图1为本专利技术试验设备系统示意图。图2为本专利技术薄壁平板测试模型示意图。图3为本专利技术模型内部温度响应试验曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术涉及一种电弧风洞条件下平板模型表面气流恢复焓的确定方法。首先由所述的电弧加热风洞产生高温流场；测量薄壁平板模型在高温流场下的内部温度响应；利用所述的数据处理方法得到平板模型在不同壁面温度下的热壁热流密度；利用所述的恢复焓计算方法得到平板模型表面气流的恢复焓。采用本专利技术的方法能够简单有效的确定电弧风洞条件下平板模型表面气流恢复焓，可以为高超声速飞行器大面积热防护系统的设计和研制提本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电弧风洞条件下平板模型表面恢复焓确定方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)在薄壁平板测试模型(4)背面设置N个热电偶，将薄壁平板测试模型(4)放置在电弧风洞试验段内；/n(2)由所述电弧风洞系统产生高温气流对薄壁平板测试模型(4)进行加热，试验过程中测量高温气流的总压P0、高温气流的流量G和热电偶温度Te(i)，i＝1，2，3，…N；/n(3)根据试验过程中测量高温气流的总压P0、高温气流的流量G，计算高温气流的总焓H
【技术特征摘要】
1.一种电弧风洞条件下平板模型表面恢复焓确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在薄壁平板测试模型(4)背面设置N个热电偶，将薄壁平板测试模型(4)放置在电弧风洞试验段内；
(2)由所述电弧风洞系统产生高温气流对薄壁平板测试模型(4)进行加热，试验过程中测量高温气流的总压P0、高温气流的流量G和热电偶温度Te(i)，i＝1，2，3，…N；
(3)根据试验过程中测量高温气流的总压P0、高温气流的流量G，计算高温气流的总焓H0；
(4)利用测量得到的薄壁平板测试模型(4)内部温度Te(i)，计算平板测试模型在设定的温度t1和t2分别的热壁热流密度qw-t1、qw-t2；
(5)利用设定的温度t1和-t2，以及平板测试模型在温度t1和-t2下的热壁热流密度qw-t1、qw-t2、高温气流的总焓H0，计算确定薄壁平板测试模型(4)表面气流恢复焓Hr。
2.根据权利要求1所述的电弧风洞条件下尖前缘热流密度确定方法，其特征在于：步骤(3)中计算高温气流的总焓H0的公式为：
式中：H0为喷管加速后的高温气体的总焓，单位为kJ/kg；P0为高温气流的总压,单位为MPa；A*为喷管喉道面积，单位为mm2；G为高温气流的质量流量，单位为kg/s；Cd为喷管喉道的流量系数。
3.根据权利要求1或2所述的电弧风洞条件下平板模型表面恢复焓确定方法，其特征在于：步骤(4)中计算平板测试模型的热壁热流密度qw-t1、qw-t2公式分别为：
其中qw-t1为薄壁平板模型内壁温度在t1时的表面热流密度，单位为kW/m2，ρ为薄壁平板模型材料密度，单位为kg/m3，Cp为平板模型材料的比热，单位为kJ/(kg·K)，h为薄壁平板模型厚度，单位为m，t1为平板模型背面在时刻dt1时的温度，单位为℃，dt1为平...
【专利技术属性】
技术研发人员：周凯，彭锦龙，杨忠凯，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
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。