許 考, 陳連忠

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074)

導(dǎo)管內(nèi)塞式量熱計(jì)熱流測(cè)量實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

許 考*, 陳連忠

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074)

對(duì)電弧風(fēng)洞中超聲速湍流導(dǎo)管內(nèi)塞式量熱計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，采用測(cè)熱端與校測(cè)件線接觸的量熱計(jì)和測(cè)熱塞塊邊緣與校測(cè)件有0.4mm縫隙的量熱計(jì)。與傳統(tǒng)的塞式量熱計(jì)熱流測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低壓、低冷壁熱流條件下3個(gè)量熱計(jì)輸出特性較接近；而隨著壓力、冷壁熱流的增加，線接觸量熱計(jì)測(cè)量值略有降低，而測(cè)熱端與校測(cè)件有縫隙的量熱計(jì)測(cè)量值大幅增加。最后，通過數(shù)值研究了縫隙內(nèi)的流動(dòng)對(duì)熱流測(cè)量的影響，同時(shí)，模擬了其它來流條件不變時(shí)來流馬赫數(shù)對(duì)縫隙內(nèi)流動(dòng)的影響。

電弧風(fēng)洞；超聲速導(dǎo)管；熱流；塞式量熱計(jì)；縫隙

0 引 言

在進(jìn)行氣動(dòng)熱燒蝕試驗(yàn)時(shí)首先要確定來流的熱環(huán)境條件，即來流總焓和測(cè)試件上的冷壁熱流。對(duì)于冷壁熱流的測(cè)量通過量熱計(jì)實(shí)現(xiàn)。通常量熱計(jì)可以分成以下3類[1]: (1)基于能量平衡的原理，通過測(cè)量量熱計(jì)相關(guān)溫度的變化，計(jì)算得出其所獲得的凈能量，從而計(jì)算出測(cè)試件的表面熱流密度，該類型量熱計(jì)主要有水卡量熱計(jì)、薄壁量熱計(jì)和塞式量熱計(jì)；(2)利用傅里葉定律，通過測(cè)量已知電阻在不同位置處的溫度梯度，從而計(jì)算出測(cè)試件表面熱流，例如柱塞式量熱計(jì)和戈登流量計(jì)；(3)基于一維瞬態(tài)導(dǎo)熱原理，通過測(cè)量表面溫度的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱流的測(cè)量，如薄膜量熱計(jì)、同軸表面熱電偶及非接觸式熱涂測(cè)試方法。

氣動(dòng)熱與熱防護(hù)試驗(yàn)技術(shù)可分為自由射流試驗(yàn)技術(shù)和包罩試驗(yàn)技術(shù)，湍流導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)技術(shù)屬于包罩試驗(yàn)技術(shù)中的一種。來流總焓較高、冷壁熱流較低時(shí)用電弧風(fēng)洞自由射流試驗(yàn)技術(shù)；而當(dāng)要求來流總焓較低、冷壁熱流較高的平板實(shí)驗(yàn)時(shí)一般采用湍流導(dǎo)管試驗(yàn)技術(shù)。

基于湍流導(dǎo)管內(nèi)熱環(huán)境熱點(diǎn)，通常選用塞式量熱計(jì)測(cè)量其內(nèi)部試驗(yàn)件的冷壁熱流。塞式量熱計(jì)由柱狀無氧銅塊、熱電偶和隔熱套組成。將熱電偶焊接在無氧銅塊的一端，套上隔熱套，以確保銅塊與模型的絕熱和絕緣。將量熱計(jì)裝入熱流測(cè)量裝置中，同時(shí)要確保銅塊受熱端面(熱氣流沖刷面)與所在平面一致。但由于湍流導(dǎo)管內(nèi)冷壁熱流密度較大(最高達(dá)4～5MW/m2)，同時(shí)壓力也較高，塞式量熱計(jì)中靠近熱流體側(cè)的隔熱套很容易被燒壞，從而導(dǎo)致較大的熱流測(cè)量誤差。本文嘗試對(duì)塞式量熱計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，測(cè)量端塞塊與測(cè)試件之間不用絕緣套，而是采用線接觸和有0.4mm的間隙的量熱計(jì)，以延長(zhǎng)其在導(dǎo)管內(nèi)的使用次數(shù)。

目前帶縫隙的塞式量熱計(jì)通常應(yīng)用于駐點(diǎn)燒蝕試驗(yàn)[2-6]，氣流對(duì)沖沖刷量熱計(jì)。該結(jié)構(gòu)的不足之處在于：縫隙雖然減少塞塊與模型之間的熱交換，但同時(shí)加劇了熱氣流對(duì)塞塊側(cè)面加熱；其次較小的縫隙對(duì)塞式量熱計(jì)的安裝要求也很高。對(duì)于湍流導(dǎo)管中的高超聲速流動(dòng)來說，首先流動(dòng)方向平行于量熱計(jì)測(cè)熱端的壁面，這樣極有可能減少縫隙內(nèi)熱氣流與塞塊的換熱。而測(cè)熱端與校測(cè)件線接觸的量熱計(jì)暫時(shí)未見報(bào)道。

本文中每次實(shí)驗(yàn)均更換帶絕熱套，同時(shí)，按照文獻(xiàn)[7]對(duì)塞塊的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行修正，并以其測(cè)量值作為基準(zhǔn)，與線接觸和帶縫隙的塞式量熱計(jì)進(jìn)行對(duì)比，找出改進(jìn)的塞式量熱計(jì)測(cè)量值隨壓力變化規(guī)律，并通過數(shù)值分析壓力及來流馬赫數(shù)對(duì)熱流測(cè)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院電弧風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行，由電弧加熱器、混合室、噴管、導(dǎo)管及真空系統(tǒng)組成，熱流測(cè)試件安裝在導(dǎo)管內(nèi)，如圖1所示。

超聲速湍流導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)原理為：被電弧加熱器加熱的高溫氣體經(jīng)二元超聲速矩形噴管加速，使高溫氣流在矩形湍流導(dǎo)管內(nèi)湍流流動(dòng)，在導(dǎo)管的1個(gè)側(cè)壁面上設(shè)置量熱計(jì)及壓力計(jì)，其余3個(gè)壁面為水冷壁，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，調(diào)試出要求的氣流參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及校測(cè)件安裝位置

Fig.1 Experimental setup and the setting position of the test article

導(dǎo)管中安裝的鋼制校測(cè)件長(zhǎng)×寬×厚=100mm×100mm×15mm，其上面按點(diǎn)陣3×3均勻設(shè)置了9個(gè)塞式量熱計(jì)，橫向和縱向的每排及每列中均安裝圖3中不同形式的塞式量熱計(jì)，分別用1、2和3表示。其中1表示傳統(tǒng)的帶絕熱套的量熱計(jì)，2表示測(cè)熱塞塊與校測(cè)件線接觸的量熱計(jì)，3表示測(cè)熱塞塊與校測(cè)件有0.4mm縫隙的量熱計(jì)。另外，測(cè)試件上還設(shè)置兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)p1和p2，以測(cè)量沿著流場(chǎng)方向和垂直流場(chǎng)方向(轉(zhuǎn)動(dòng)90°安裝)的壓力分布，如圖2所示。

圖2 3種量熱計(jì)位置分布

3種塞式量熱計(jì)工藝結(jié)構(gòu)如圖3所示。塞式量熱計(jì)1安裝在校測(cè)件上階梯孔內(nèi)；塞式量熱計(jì)2從校測(cè)件下部安裝，靠近校測(cè)件表面部分加工成“八”字形孔，表面上的孔與塞塊與校測(cè)件線接觸；塞式量熱計(jì)3同樣從下部安裝，靠隔熱套與校測(cè)件緊配合。

圖3 3種塞式量熱計(jì)工藝示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證流場(chǎng)的均勻性，實(shí)驗(yàn)的過程中分別隨機(jī)測(cè)量電弧風(fēng)洞運(yùn)行過程中沿著流場(chǎng)方向的導(dǎo)管壁面壓力分布(見圖2)及垂直流場(chǎng)方向壓力分布(圖2沿著中心旋轉(zhuǎn)90°安裝)，所用壓力傳感器量程為0～500kPa，精度±0.2%F.S，壓力分布結(jié)果見圖4和5。

圖4 沿著流場(chǎng)方向壁面壓力分布

Fig.4 Pressure distributions on the test article along the flow field

圖5 垂直于流場(chǎng)方向壁面壓力分布

Fig.5 Pressure distributions on the test article perpendicular to the flow field

由圖4和5可以看出，在電弧風(fēng)洞運(yùn)行過程中首先啟動(dòng)冷氣，過了2s后加熱器才正式啟動(dòng)。無論是橫向還是縱向，2壓力p1和p2基本一致，這表明，導(dǎo)管內(nèi)熱流測(cè)點(diǎn)的區(qū)域中未出現(xiàn)激波的干擾。圖5中的p2明顯滯后于p1，極有可能是傳感器受到干擾造成。

實(shí)驗(yàn)分別在高、中、低不同狀態(tài)下進(jìn)行，其來流總焓為2500kJ/kg，導(dǎo)管壁面靜壓范圍在30～190kPa。由于塞式量熱計(jì)1的絕熱套在冷壁熱流密度較大的條件下極易燒蝕破損，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差的增加。為了確保隔熱套的完整，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后都要對(duì)隔熱套進(jìn)行更換，確保了熱流測(cè)量精度，并以該測(cè)量值為基準(zhǔn)熱流。

圖6～9表示隨著導(dǎo)管壁面壓力的增加2熱流計(jì)測(cè)量值的變化?？梢钥闯?，在導(dǎo)管壁面壓力為30和60kPa時(shí)帶縫隙熱流計(jì)和帶絕熱套熱流計(jì)(基準(zhǔn)熱流值)測(cè)量值基本相當(dāng)。然而，隨著壓力的增加，當(dāng)壓力增加到140kPa時(shí)，帶縫隙的熱流計(jì)測(cè)量值高于基準(zhǔn)值的21%；當(dāng)壓力增加到190kPa時(shí)，帶縫隙的熱流計(jì)測(cè)量值高于基準(zhǔn)值的24%。顯然，當(dāng)壓力增大到一定時(shí)，縫隙的存在使得熱流測(cè)量值明顯增加。

圖6 導(dǎo)管內(nèi)壁面壓力為30kPa冷壁熱流歷程

Fig.6 Cold wall heat flux history with 30kPa pressure in the conduit

圖7 導(dǎo)管壁面壓力為60kPa熱流歷程

Fig.7 Cold wall heat flux history with 60kPa pressure in the conduit

圖8 導(dǎo)管壁面壓力為140kPa熱流歷程

Fig.8 Cold wall heat flux history with 140kPa pressure in the conduit

圖9 導(dǎo)管壁面壓力為190kPa熱流歷程

Fig.9 Cold wall heat flux history with 190kPa pressure in the conduit

而對(duì)于測(cè)熱塞塊與校測(cè)件線接觸的量熱計(jì)，當(dāng)壓力大于60kPa時(shí)，測(cè)量值比標(biāo)準(zhǔn)值低13%，隨著壓力的增加，該值基本不變。在氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)中，要求模擬的環(huán)境狀態(tài)通常比彈道熱環(huán)境狀態(tài)高10%～15%，這樣可以使用線接觸量熱計(jì)取代傳統(tǒng)的帶絕熱套的量熱計(jì)，其測(cè)量值可代替要求的模擬值，而且可以長(zhǎng)時(shí)間頻繁使用。

在圖6～9中存在一個(gè)明顯的差別是：圖6中熱流歷程是一個(gè)平臺(tái)，而其它圖中的熱流歷程隨時(shí)間是降低的，這是由于當(dāng)狀態(tài)較低時(shí)(圖6中冷壁熱流僅約為480kW/m2)銅塞壁溫增加緩慢，通過熱電偶所測(cè)電壓信號(hào)較弱，抗干擾能力也較差，所測(cè)溫度值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，最后通過溫度變化速率計(jì)算冷壁熱流時(shí)同樣出現(xiàn)了數(shù)值波動(dòng)且近似臺(tái)階狀；相反，當(dāng)狀態(tài)較高時(shí)，銅塊溫升速率大，能量逐漸達(dá)到平衡時(shí)，溫升速率有變小的趨勢(shì)，所測(cè)冷壁熱流也逐漸變小。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬方法

電弧風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)僅能得到有限的定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并不能獲得更多的信息來描述流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。因此，利用三維數(shù)值模擬提供的三維流場(chǎng)可以更好地解釋上述現(xiàn)象。

計(jì)算網(wǎng)格是采用gridgen生成的三維多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)、寬、高分別為100、20和100mm的導(dǎo)管區(qū)域，導(dǎo)管的一側(cè)100mm×100mm的壁面的中心區(qū)設(shè)置Φ5的紫銅塞塊，其與測(cè)試件之間有寬為0.4mm、深為0.5mm的縫隙，共有約500萬網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，如圖10所示。

控制方程主要有質(zhì)量方程、三維可壓Navier- Stokes方程及能量方程，詳見文獻(xiàn)[8]和[9]。湍流模型使用可修正Ring-k-ε湍流模型，該模型適應(yīng)于計(jì)算高雷諾數(shù)湍流，尤其可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)，計(jì)算更容易收斂，在工程計(jì)算中得到廣泛地應(yīng)用，其準(zhǔn)確性及可靠度也得到較多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。其輸運(yùn)模型見文獻(xiàn)[10]。

k-ε湍流模型方程計(jì)算時(shí)，為了避免在壁面附近需要更細(xì)的網(wǎng)格而導(dǎo)致過大的計(jì)算量，采用了壁面函數(shù)處理。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可靠性，選用圖7中狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算：Ma=2.0，靜溫Ts=800K，塞塊初始表溫Tcb=300K,計(jì)算的塞塊表面熱流通量見圖11。

圖中可以看出，在上述狀態(tài)下計(jì)算所得表面熱流不是很均勻，中心部分區(qū)域較低約1000kW/m2,上下兩側(cè)較高，約1200kW/m2，與圖7中所測(cè)的熱流值較接近。圖11中左側(cè)為來流方向，在滯止流兩側(cè)縫隙內(nèi)，氣流對(duì)銅塞加熱較嚴(yán)重，該位置處熱流較高,在銅塞的下游區(qū)域熱流密度明顯偏低。

圖10 多塊結(jié)構(gòu)計(jì)算域及邊界

圖11 Ma=2.0、Ts=800K時(shí)塞塊表面冷壁熱流通量

Fig.11 Cold wall heat fluxes on the slug withMa=2.0 andTs=800K

為了解釋圖6～9中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，圖12表示在來流Ma=2.0，靜溫Ts=800K時(shí)不同來流靜壓條件下縫隙內(nèi)深為0.2mm處流動(dòng)特征。

由圖12可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)來流靜壓為100kPa時(shí)縫隙內(nèi)沿著銅塞一周大部分區(qū)域均有流動(dòng)，尤其在銅塞后部的溝縫內(nèi)流速能達(dá)到150～210m/s; 當(dāng)來流靜壓降低到60kPa時(shí)，縫隙內(nèi)流動(dòng)區(qū)域向銅塞后部轉(zhuǎn)移，流速在90～180m/s; 隨著壓力的進(jìn)一步降低，當(dāng)來流靜壓降低到30kPa時(shí)，縫隙內(nèi)高速流動(dòng)區(qū)域進(jìn)一步減小，僅在銅塞后部比較窄的區(qū)域，最大流速約100m/s。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出，隨著靜壓的增加，帶縫隙的塞式量熱計(jì)熱流測(cè)量值偏離基準(zhǔn)熱流幅度不斷增大，其原因是：壓力的增加導(dǎo)致縫隙內(nèi)銅塞周圍的繞流現(xiàn)象增強(qiáng)，強(qiáng)化了與銅塞之間的對(duì)流換熱能力，故熱流測(cè)量值增加。

圖12 縫隙內(nèi)深度為0.2mm處不同來流靜壓條件下流動(dòng)

圖13表示來流壓力為100kPa條件下不同來流馬赫數(shù)對(duì)縫隙內(nèi)流動(dòng)的影響。來流靜溫Ts=800K，Ma分別為1.5、2.0及2.5。

由圖中可以明顯看出，隨著馬赫數(shù)的增加，縫隙內(nèi)深為0.2mm處銅塞的邊緣和熱流體接觸部位不斷減小，尤其在馬赫數(shù)為2.5時(shí)，僅僅在銅塞的上下邊緣附近區(qū)域出現(xiàn)高速流動(dòng)現(xiàn)象。在銅塞后部的溝縫內(nèi)基本無高速流動(dòng)現(xiàn)象。由此可以判斷，隨著來流馬赫數(shù)的增加，帶縫隙的熱流計(jì)測(cè)量值與基準(zhǔn)值之間的差異在減小。

圖13 來流靜壓100kPa、不同馬赫數(shù)條件下縫隙內(nèi)流動(dòng)

Fig.13 Flow in the gap with 100kPa static pressure and different Mach numbers

3 總 結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究可以得出以下結(jié)論：

(1) 實(shí)驗(yàn)研究表明，改進(jìn)型量熱計(jì)(測(cè)熱端與校測(cè)件線接觸的量熱計(jì))在中焓、高冷壁熱流條件下熱流測(cè)量值比基準(zhǔn)值低13%，而且隨著狀態(tài)變化較穩(wěn)定。這樣，在較高的熱環(huán)境狀態(tài)下可以使用線接觸量熱計(jì)取代傳統(tǒng)的帶絕熱套的量熱計(jì)，其測(cè)量值可代替要求的模擬值(通常，要求模擬的環(huán)境狀態(tài)要高于彈道熱環(huán)境狀態(tài)的10%～15%)，同時(shí)，可以長(zhǎng)時(shí)間頻繁使用；

(2) 實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明，導(dǎo)管內(nèi)帶有縫隙(本文中為0.4mm)的量熱計(jì)在相同來流馬赫數(shù)下隨著來流靜壓的增加，縫隙內(nèi)流動(dòng)加劇，強(qiáng)化了熱流體與銅塞之間的換熱，使得該熱流計(jì)測(cè)量值與基準(zhǔn)值之間的差距不斷增加；

(3) 數(shù)值模擬研究表明，在相同來流壓力條件下，隨著馬赫數(shù)的增加，縫隙內(nèi)流動(dòng)在減弱，弱化了熱流體與銅塞間換熱，有利于減小該量熱計(jì)測(cè)量值與基準(zhǔn)值之間的差異。

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(編輯：楊 娟)

Experimental and numerical simulation studies on heat flux measurement for slug calorimeters in the conduit

Xu Kao, Chen Lianzhong

(China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China)

The slug calorimeters in the supersonic turbulent conduit of the arc heated wind tunnel were improved. The line-contact calorimeter and the calorimeter which has a 0.4mm gap betwenn the heated end brim of the slug and the test article are adopted. Comparing to measured heat flux data by the typical slug calorimeters, the experimental results show that the output characteristics of the three types of calorimeters have good consistency under the condition of low pressure and low cold-wall heat flux; as pressure increases, the measurement values of the line-contact calorimenters slightly decrease and the measurement values of the 0.4mm gap calorimeters increase noticeably. To explain the result, the flow characteristics of the 0.4mm gap clorimenters are investigated. The influence of the free stream Mach number on the flow in the gap is also studied.

arc heated wind tunnel;supersonic conduit;heat flux;slug calorimeters;gap

1672-9897(2015)02-0084-06

10.11729/syltlx20140127

2014-10-14;

2014-12-18

XuK,ChenLZ.Experimentalandnumericalsimulationstudiesonheatfluxmeasurementforslugcalorimetersintheconduit.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(2): 84-89. 許 考, 陳連忠. 導(dǎo)管內(nèi)塞式量熱計(jì)熱流測(cè)量實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(2): 84-89.

V211.74+4

A

許 考(1978-)，男,江蘇泗洪人,博士。研究方向:高超聲速氣動(dòng)熱技術(shù)。通信地址：北京7201信箱15分箱(100074)。E-mail: xukjzit@163.com

*通信作者 E-mail: xukjzit@163.com