CN115452180B - 一种高焓气流恢复温度测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地面风洞试验中高焓气流参数诊断测量技术领域，尤其涉及一种高焓气流恢复温度测量方法及测量装置。该测量方法通过高焓气流恢复温度测量装置进行测量，该测量装置圆箔片感应元件盖设在热沉体的一端，在圆箔片感应元件的中心处以及相距中心处的距离为圆箔片感应元件半径的1/5处各引出一根材质与热沉体相同的导线，形成两个温差热电偶，可以同时测得两组温差信号，其中一组用于计算实际热流密度，推得实际对流热流与按标定灵敏度计算的热流相对误差，结合两组数据计算可得到气流恢复温度，该测量方法提高测得高焓气流恢复温度的准确度，能够同时获取表面热流、气流恢复温度，也将极大地降低地面风洞试验流场诊断的成本和周期。

Description

一种高焓气流恢复温度测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及地面风洞试验中高焓气流参数诊断测量技术领域，尤其涉及一种高焓气流恢复温度测量方法及测量装置。

背景技术

地面风洞试验中，气流恢复温度(恢复焓)是试验气流诊断测量的最重要参数之一。实际工作中，通常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温度方式。而对于高焓(大于3000K)气流的焓值难以进行直接测量，均采用间接测量法，目前较常用的测量方法有5种：一是能量平衡法，即利用能量平衡原理计算设备输入总功率减去冷却水带走能量得到气流所含热能；二是平衡声速流法，即测量有效喉道面积、弧室压力、气流量，利用它们与焓值的近似关系式计算得到；三是探针法，即利用驻点探针采集小样气流，冷却后直接测量，并推算原有气流温度；四是驻点参数法，即测量驻点压力、驻点热流、头部半径，利用它们与焓值的近似关系式计算得到；五是光谱法，即利用光谱仪器测量气体入射光强、吸收后出射光强，反演分析得到气流温度。

上述测量方法或因为多种间接参数测量误差叠加，或因为近似关系式的适用区间不同或近似程度不同，测量结果的准度和精度均难以保证，相互间的相对误差甚至超过50％。由此导致得到的恢复温度存在较大的不确定度和较低的可靠性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种高焓气流恢复温度测量方法及测量装置，提高测得高焓气流恢复温度的准确度，还能够同时得到热流密度，降低地面风洞试验流场诊断的成本和周期。

(二)技术方案

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种高焓气流恢复温度测量方法，包括以下步骤：

采用高焓气流恢复温度测量装置进行测量，高焓气流恢复温度测量装置包括圆箔片感应元件、热沉体、第一导线、第二导线和第三导线，圆箔片感应元件和热沉体为不同材质，热沉体为圆筒结构，圆箔片感应元件盖设在热沉体的一端，且与热沉体同心连接，形成参考热电偶结点，第一导线、第二导线以及第三导线的材质与热沉体的材质相同，第三导线与热沉体的连接，第一导线的一端穿过热沉体与圆箔片感应元件的中心连接，第二导线的一端穿过热沉体与圆箔片感应元件连接且与第一导线间隔设置，第一导线与第二导线形成第一温差热电偶，第一导线与第三导线形成第二温差热电偶，第一导线和第二导线在圆箔片感应元件上的连接点之间的距离小于等于圆箔片感应元件半径的1/5；

第二温差热电偶和第一温差热电偶测得的热电势分别为E₁、E₂，通过辐射热源标定分别得到灵敏度系数S₁、S₂，则得到相对应的热流密度为：

q₁＝S₁·E₁ (1)

q₂＝S₂·E₂ (2)

其中，热流密度q₂为实际热流密度；

在对流环境中，热流密度q与圆箔片感应元件的表面温度T、对流换热系数h以及气流恢复温度T_r之间满足以下关系：

q＝h(T_r-T ) (3)

通过对流环境下所述圆箔片感应元件的传热控制方程推得实际对流热流与按标定灵敏度计算的热流相对误差为：

η＝KS₁h (4)

式中K为常数；

当所述第一导线和所述第二导线在所述圆箔片感应元件上的连接点之间的距离小于等于所述圆箔片感应元件半径的1/5，S₁较小，受对流换热影响可忽略，而S₂带有明显的偏差，因此根据(1)、(2)和(4)可得：

根据式(1)、(2)和(5)计算得到对流换热系数h；通过第一温差热电偶测得的热电势E₂得到圆箔片感应元件的中心温度T₁，根据式(6)计算得到气流恢复温度：

q＝h(T_r-T₁) (6)。

可选地，圆箔片感应元件为康铜材料，热沉体为铜材料。

可选地，圆箔片感应元件的传热控制方程为：

式中T为圆箔片感应元件某时刻r处的温度，r为圆箔片感应元件径向位置，ρ、c、L分别为圆箔片感应元件的密度、比热容和厚度，a为热扩散率；T_r为气流恢复温度，h为对流换热系数。

可选地，根据圆箔片感应元件的传热控制方程推得实际对流热流与按标定灵敏度计算的热流相对误差的过程为：

对圆箔片感应元件的传热控制方程齐次化并分离变量求解，可得到包含修正贝塞尔函数的解，通过展开贝塞尔函数、略去高次项、略去小量等变换，推得实际对流热流密度与按标定灵敏度计算的热流密度相对误差。

可选地，圆箔片感应元件与热沉体的外边缘齐平。

第二方面，本发明还提供了一种高焓气流恢复温度测量装置，包括圆箔片感应元件、热沉体、第一导线、第二导线和第三导线，圆箔片感应元件和热沉体为不同材质，热沉体为圆筒结构，圆箔片感应元件盖设在热沉体的一端，且与热沉体同心连接，形成参考热电偶结点，第一导线、第二导线以及第三导线的材质与热沉体的材质相同，第三导线与热沉体的连接，第一导线的一端穿过热沉体与圆箔片感应元件的中心连接，第二导线的一端穿过热沉体与圆箔片感应元件连接且与第一导线间隔设置，第一导线与第二导线形成第一温差热电偶，第一导线与第三导线形成第二温差热电偶，第一导线和第二导线在圆箔片感应元件上的连接点之间的距离小于等于圆箔片感应元件半径的1/5。

可选地，圆箔片感应元件为康铜材料，热沉体为铜材料。

可选地，圆箔片感应元件与热沉体的外边缘齐平。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的高焓气流恢复温度测量方法，通过高焓气流恢复温度测量装置进行测量，该测量装置圆箔片感应元件盖设在热沉体的一端，在圆箔片感应元件的中心处以及相距中心处的距离为圆箔片感应元件半径的1/5处各引出一根材质与热沉体相同的导线，形成两个温差热电偶，可以同时测得两组温差信号，其中一组用于计算实际热流密度，通过圆箔片感应元件的传热控制方程推得实际对流热流与按标定灵敏度计算的热流相对误差，结合两组数据计算可得到气流恢复温度，该测量方法提高测得高焓气流恢复温度的准确度，能够同时获取表面热流、气流恢复温度，也将极大地降低地面风洞试验流场诊断的成本和周期。

附图说明

本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。

图1是本发明实施例中一种高焓气流恢复温度测量装置的半剖结构示意图；

图2是本传统圆箔式热流传感器的半剖结构示意图。

图中：

1：圆箔片感应元件；2：热沉体；3：第一导线；4：第二导线；5：第三导线；

6：康铜圆箔片；7：铜热沉体；8：铜引线；9：铜导线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，本发明实施例提供一种高焓气流恢复温度测量装置，包括圆箔片感应元件1、热沉体2、第一导线3、第二导线4和第三导线5，圆箔片感应元件1和热沉体2为不同材质，热沉体2为圆筒结构，圆箔片感应元件1盖设在热沉体2的一端，且与热沉体2同心连接，连接处形成参考热电偶结点，第一导线3、第二导线4以及第三导线5的材质与热沉体2的材质相同，第三导线5与热沉体2的连接，第一导线3的一端穿过热沉体2与圆箔片感应元件1的中心连接，第二导线4的一端穿过热沉体2与圆箔片感应元件1连接，且与第一导线3间隔设置，第一导线3与第二导线4形成第一温差热电偶，第一导线3与第三导线5形成第二温差热电偶，第一导线3和所第二导线4在圆箔片感应元件1上的连接点之间的距离D小于等于所述圆箔片感应元件半径的1/5，例如，1/6、1/7、1/8等。更具体地说，第一导线3和第二导线4具有间隔，即为非接触设置。第二导线4与第一导线3之间的距离为直线距离，第二导线4可以以第一导线的中心为圆点，以设定的距离为半径，设置在该圆周方向上任一位置处。需要说明的是，第一导线3和第二导线4之间的距离是指两个导线的中心距离。

本实施例中的高焓气流恢复温度测量装置是在传统圆箔式热流传感器的基础上，对其结构和功能进行改进而得到。

参见图2所示，传统圆箔式热流传感器基本原理：康铜圆箔片6被安装在铜热沉体7中，两者沿康铜圆箔片6的周沿连接，形成一个参考热电偶结点，在铜热沉体7上引出一铜导线9，该铜导线9与铜热沉体7的材质相同。将与铜热沉体7相同材质的铜引线8连接在康铜圆箔片6的中心，形成另一个热电偶结点。当康铜圆箔片6暴露在均匀热环境中时，康铜圆箔片6表面吸收热量并径向传导给铜热沉体7，在康铜圆箔片6的中心和边缘之间就会形成一个抛物线形温度梯度，并在两者之间产生一个电势差，电势差与热流密度成正比。因此，只需测得传感器热电偶输出电压，即可通过下式计算得到热流：

q＝S·E

式中q为热流密度，S为灵敏度系数，E为热电偶电压。其中，灵敏度系数S与康铜圆箔片的半径、厚度、导热系数有关，由于加工、制造的误差，灵敏度系数S通常在辐射源中进行标定后确定。

该传统圆箔式热流传感器能够用于热流密度的测量，但无法实现气流恢复温度测量，现在技术中也不存设置两个温差热电偶技术启示。

本实施例中的高焓气流恢复温度测量装置，圆箔片感应元件1盖设在热沉体2的一端，在圆箔片感应元件1的中心处以及相距中心处的距离为圆箔片感应元件1半径的1/5处各引出一根材质与热沉体相同的导线(第一导线3和第二导线4)，三根导线形成两个温差热电偶(第一导线3与第二导线4形成第一温差热电偶，第一导线3与第三导线5形成第二温差热电偶)，可以同时测得两组温差信号，其中一组用于计算实际热流密度，通过圆箔片感应元件的传热控制方程推得实际对流热流与按标定灵敏度计算的热流相对误差，结合两组数据计算可得到气流恢复温度，为高焓气流恢复温度测量提供设置支持。

在一个优选实施方式中，圆箔片感应元件1为康铜材料，热沉体2为铜材料。

在一些实施方式中，参见图1所示，通过盖设方式连接，且圆箔片感应元件1与热沉体2的外边缘齐平，装配连接更方便。

本实施例还提供了一种基于上述任一种高焓气流恢复温度测量装置的高焓气流焓值测量方法。

在该测量方法中，高焓气流恢复温度测量装置中第二温差热电偶和第一温差热电偶测得的热电分别为E₁、E₂，通过辐射热源标定分别得到灵敏度系数S₁、S₂，则得到相对应的热流密度为：

q₁＝S₁·E₁ (1)

q₂＝S₂·E₂ (2)

其中，热流密度q₂为实际热流密度；

在对流环境中，当高焓气流恢复温度测量装置用于对流热流测量时，入射热流不再满足均匀热流假设，其值与表面温度和对流换热系数有关，即热流密度q与圆箔片感应元件的表面温度T、对流换热系数h以及气流恢复温度T_r之间满足以下关系：

q＝h(T_r-T ) (3)

对流换热与辐射传热不同，对流换热热流与壁面温度成一次函数关系，而壁面温度在受热表面是不均匀的，从而导致入射热流不均匀，这就使得传感器在辐射条件下标定后直接用于对流热流测量产生误差。

通过对流环境下所述圆箔片感应元件的传热控制方程推得实际对流热流与按标定灵敏度计算的热流相对误差为：

η＝KS₁ h (4)

式中K为常数。

由式(4)可见相对误差与标定灵敏度系数和对流换热系数成正比，因此在使用高焓气流恢复温度测量装置进行大对流换热系数的热流测量时，理论上通常应将传感器灵敏度系数设计得较小(即圆箔片感应元件直径小)，以减小误差。而在本实施例的方案通过两个温差热电偶则能够将圆箔片感应元件1的直径设计得较大，例如4mm，距离圆箔片感应元件1的中心0.4mm处引出第二导线。并且仍然能够较高精度的测量高焓气流恢复温度。

当第一导线和第二导线在圆箔片感应元件上的连接点之间的距离小于等于圆箔片感应元件半径的1/5，S₁较小，受对流换热影响可忽略，而S₂带有明显的偏差，因此根据式(1)、(2)和(4)可得：

根据式(1)、(2)和(5)计算得到对流换热系数h；通过第一温差热电偶测得的热电势E₂得到圆箔片感应元件的中心温度T₁，根据式(6)计算得到气流恢复温度：

q＝h(T_r-T₁) (6)。

对流环境下，圆箔片感应元件的传热控制方程为：

式中T为圆箔片感应元件某时刻某径向位置的温度，r为圆箔片感应元件径向位置，ρ、c、L分别为圆箔片感应元件的密度、比热容和厚度，a为热扩散率；T_r为气流恢复温度，h为对流换热系数。

在一实施方式中，根据对流环境下圆箔片感应元件的传热控制方程推得实际对流热流与按标定灵敏度计算的热流相对误差的过程为：

对传热控制方程齐次化并分离变量求解，可得到包含修正贝塞尔函数的解，通过展开贝塞尔函数、略去高次项、略去小量等变换，推得实际对流热流密度与按标定灵敏度计算的热流密度相对误差。

本实施例中的高焓气流恢复温度测量方法，提高测得高焓气流恢复温度的准确度，能够同时获取表面热流、气流恢复温度，也将极大地降低地面风洞试验流场诊断的成本和周期。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高焓气流恢复温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用高焓气流恢复温度测量装置进行测量，所述高焓气流恢复温度测量装置包括圆箔片感应元件、热沉体、第一导线、第二导线和第三导线，所述圆箔片感应元件和所述热沉体为不同材质，所述热沉体为圆筒结构，所述圆箔片感应元件盖设在所述热沉体的一端，且与所述热沉体同心连接，形成参考热电偶结点，所述第一导线、第二导线以及第三导线的材质与所述热沉体的材质相同，所述第三导线与所述热沉体的连接，所述第一导线的一端穿过所述热沉体与所述圆箔片感应元件的中心连接，所述第二导线的一端穿过所述热沉体与所述圆箔片感应元件连接且与所述第一导线间隔设置，所述第一导线与所述第二导线形成第一温差热电偶，所述第一导线与所述第三导线形成第二温差热电偶，所述第一导线和所述第二导线在所述圆箔片感应元件上的连接点之间的距离小于等于所述圆箔片感应元件半径的1/5；

所述第二温差热电偶和所述第一温差热电偶测得的热电势分别为E₁、E₂，通过辐射热源标定分别得到灵敏度系数S₁、S₂，得到相对应的热流密度为：

q₁＝S₁·E₁ (1)

q₂＝S₂·E₂ (2)

其中，热流密度q₂为实际热流密度；

在对流环境中，热流密度q与圆箔片感应元件的表面温度T、对流换热系数h以及气流恢复温度T_r之间满足以下关系：

q＝h(T_r-T) (3)

通过对流环境下所述圆箔片感应元件的传热控制方程推得实际对流热流与按标定灵敏度计算的热流相对误差为：

η＝KS₁h (4)

式中K为常数；

当所述第一导线和所述第二导线在所述圆箔片感应元件上的连接点之间的距离小于等于所述圆箔片感应元件半径的1/5，S₁较小，受对流换热影响可忽略，而S₂带有明显的偏差，因此根据(1)、(2)和(4)可得：

根据式(1)、(2)和(5)计算得到对流换热系数h；通过所述第一温差热电偶测得的热电势E₂得到圆箔片感应元件的中心温度T₁，根据式(6)计算得到气流恢复温度：

q＝h(T_r-T₁) (6)。

2.根据权利要求1所述的高焓气流恢复温度测量方法，其特征在于：所述圆箔片感应元件为康铜材料，所述热沉体为铜材料。

3.根据权利要求1所述的高焓气流恢复温度测量方法，其特征在于：所述圆箔片感应元件的传热控制方程为：

式中T为圆箔片感应元件某时刻r处的温度，r为圆箔片感应元件径向位置，ρ、c、L分别为圆箔片感应元件的密度、比热容和厚度，a为热扩散率；T_r为气流恢复温度，h为对流换热系数。

4.根据权利要求3所述的高焓气流恢复温度测量方法，其特征在于：根据所述圆箔片感应元件的传热控制方程推得实际对流热流与按标定灵敏度计算的热流相对误差的过程为：

对式所述圆箔片感应元件的传热控制方程齐次化并分离变量求解，可得到包含修正贝塞尔函数的解，通过展开贝塞尔函数、略去高次项、略去小量等变换，推得实际对流热流密度与按标定灵敏度计算的热流密度相对误差。

5.根据权利要求1所述的高焓气流恢复温度测量方法，其特征在于：所述圆箔片感应元件与所述热沉体的外边缘齐平。

6.一种高焓气流恢复温度测量装置，包括：

圆箔片感应元件、热沉体、第一导线、第二导线和第三导线，所述圆箔片感应元件和所述热沉体为不同材质，所述热沉体为圆筒结构，所述圆箔片感应元件盖设在所述热沉体的一端，且与所述热沉体同心连接，形成参考热电偶结点，所述第一导线、第二导线以及第三导线的材质与所述热沉体的材质相同，所述第三导线与所述热沉体的连接，所述第一导线的一端穿过所述热沉体与所述圆箔片感应元件的中心连接，所述第二导线的一端穿过所述热沉体与所述圆箔片感应元件连接且与所述第一导线间隔设置，所述第一导线与所述第二导线形成第一温差热电偶，所述第一导线与所述第三导线形成第二温差热电偶，所述第一导线和所述第二导线与所述圆箔片感应元件连接点的距离小于等于所述圆箔片感应元件半径的1/5。

7.根据权利要求6所述的高焓气流恢复温度测量装置，其特征在于：所述圆箔片感应元件为康铜材料，所述热沉体为铜材料。

8.根据权利要求6所述的高焓气流恢复温度测量装置，其特征在于：所述圆箔片感应元件与所述热沉体的外边缘齐平。