CN103837569A - 基于恒热流法的曲面对流换热系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种曲面片材的表面对流换热系数的测量装置，所述测量装置包括：至少一个电加热垫，所述电加热垫是柔性的，使得其可弯曲成与所述片材的内表面同样的形状，所述电加热垫包括绝缘传热层、加热元件层和绝缘隔热层，所述加热元件层固定地连接在所述绝缘传热层与所述绝缘隔热层之间，所述电加热垫构造成使得所述绝缘传热层与所述片材的内表面的第一表面紧密接触；至少一个温度传感器，所述温度传感器连接于在所述片材的与所述内表面的第一表面相对的外表面的第二表面上；控制装置，用于控制电加热垫的需要被控制的参数。本发明还包括一种用上述的测量装置测量片材的对流换热系数的测量方法。

Description

基于恒热流法的曲面对流换热系数测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于曲面表面对流换热系数的测量装置。具体地涉及一种借助风洞测量机翼前缘外表面对流换热系数的测量方法。

背景技术

航空实践表明,飞机结冰是重要的飞行安全隐患之一,它成为了航空工业中必须关注的问题，也是通过风洞试验进行适航取证时必须要做的一个试验。而飞机机翼的结冰状态与飞机机翼的对流换热系数有关。

目前航空工业领域内，关注表面的对流换热系数通常是通过数值模拟来获取，虽然目前数值模拟的方法已经比较成熟，但是作为飞机防冰系统等领域的重要设计输入，且作为防护表面的主要换热形式会直接影响到冰的增长方式和结冰类型，因此仍需试验来进行验证。

对流换热系数主要与关注表面的形状和流体速度、流体特性等参数有关，根据对流换热系数的相关公式h=q/(ts-t0)，通常测量对流换热系数有恒壁温和恒热流两种方法。恒壁温法需要精确控制表面的温度，且在外部强对流的环境下，则需对局部位置的加热源进行单独控制以满足任何一个被测点的温度相同，从而根据不同加热功率计算对流换热系数，实现过程较为复杂。恒热流法则需要恒定地输出热流密度，确保被测表面任何位置处的加热热流密度相同，采用一块热功率输出均匀的加热器即可满足该要求。本发明将基于恒热流法提出一种用于曲面表面对流换热系数的测量方法，具体地在模拟飞机飞行环境的风洞试验中，用于机翼前缘外表面对流换热系数的测量。

发明内容

本发明基于恒热流法原理提供一种用于曲面表面、尤其是机翼前缘的表面的对流换热系数的测量装置和测量方法，以更真实的验证传统的数值模拟方法。

因此，本发明提供一种曲面片材的表面对流换热系数的测量装置，所述测量装置包括：至少一个电加热垫，所述电加热垫是柔性的，使得其可弯曲成与所述片材的内表面同样的形状，所述电加热垫包括绝缘传热层、加热元件层和绝缘隔热层，所述加热元件层固定地连接在所述绝缘传热层与所述绝缘隔热层之间，所述电加热垫构造成使得所述绝缘传热层与所述片材的内表面的第一表面紧密接触；至少一个温度传感器，所述温度传感器连接于在所述片材的与所述内表面的第一表面相对的外表面的第二表面上；控制装置，用于控制电加热垫的需要被控制的参数。

较佳地，所述加热元件层构造成使得从所述电加热垫的所述加热元件层传导到所述绝缘传热层的热量在所述绝缘传热层的分布均匀，所述加热元件层由加热电阻不受温度变化影响的恒阻材料制成。

较佳地，所述电加热垫包括至少两个电加热垫，所述电加热垫沿其横向方向和/或纵向方向间隔地紧贴于所述片材的内表面的第一表面，在所述片材的外表面上的对应于每一电加热垫的第二表面，设置多个所述温度传感器。

较佳地，所述电加热垫包括两个沿纵向延伸的狭长电加热垫，所述温度传感器沿所述电加热垫的纵向分布。

较佳地，所述温度传感器沿所述电加热垫的横向中心位置设置。

较佳地，所述片材为沿狭长电加热垫的纵向弯曲的曲面片材，并具有不同的曲率，所述温度传感器在曲率大的表面上的设置密度大于曲率小的表面上的设置密度。

较佳地，所述绝缘传热层和所述绝缘隔热层由相同材料制成，且所述绝缘隔热层的厚度大于所述绝缘传热层的厚度。

较佳地，所述绝缘隔热层和所述绝缘传热层由玻璃纤维材料制成。

较佳地，所述绝缘隔热层的厚度与所述绝缘传热层的厚度之比是4:1。

较佳地，所述加热元件层的材料包括Cr20Ni80。

较佳地，所述温度传感器是线缆直径为约0.12mm的K型热电偶。

本发明还提供一种用所述的测量装置测量片材的对流换热系数的测量方法，包括如下步骤：

（a）确定片材的被测试表面和加热垫的额定加热电压；

（b）将可弯曲的电加热垫中的绝缘传热层紧贴于所述片材的内表面，使所述绝缘传热层与所述片材的内表面的第一表面紧密接触，所述被测试表面为与所述内表面相对的外表面；

（c）将所述温度传感器安装在所述片材的被测试表面上，且位于与所述第一表面相对的第二表面上；

（d）将带有电加热垫的片材放置在能够产生预定工况的环境中,在所述预定工况下，加热电加热垫，并用控制装置调节加热电加热垫需要被控制的参数；

（e）从温度传感器获取所述片材被测表面对应位置处的温度，用公式h=q/(ts-t0)计算对流换热系数，而且，10℃<(ts-t0)<80℃，

其中：

h是对流换热系数；

q是均匀的加热热流密度，通过直流电源输出获取；

ts是片材被测表面对应位置处的温度；

t0是片材所在的环境温度。

较佳地，所述能够产生预定工况的环境包括能够产生强制外对流的外流场环境，在所述步骤（a）中，将可弯曲的电加热垫的形状弯曲成与所述片材的内表面的形状相同，并在室温、无外流场的条件下，检查加热垫表面加热热流均匀性，若不均匀则通过调整加热元件层的布置确保加热垫加热均匀。

较佳地，在所述步骤（b）中，在室温、无外流场的条件下进行检测，以确保加热垫与片材内表面之间的紧密接触。

较佳地，在所述步骤（a）中，给加热元件层通电，用红外热像仪检查加热垫表面加热热流均匀性。

较佳地，在步骤（b）中，给加热元件层通电，通过红外热像仪观察片材测试表面的热流均匀性，确保加热垫与片材内表面之间的紧密接触。

较佳地，所述温度传感器包括热电偶头，采用胶结或者焊接的形式将所述热电偶头固定在所述片材的所述外表面上的选取的测温点位置处。

较佳地，在步骤（c）中，还包括在片材的测试表面安装温度传感器的测温点位置处锪孔，使温度传感器的热电偶置入在所述锪孔中。

较佳地，在步骤（b）中，所述可弯曲的电加热垫通过胶粘剂紧贴于所述片材的内表面。

较佳地，所述产生强制外对流的外流场环境大致模拟所述片材的使用环境。

较佳地，所述片材为飞机机翼的蒙皮，所述产生强制外对流的外流场环境大致模拟所述飞机的飞行环境。

较佳地，25℃<(ts-t0)<55℃。

附图说明

图1示意性的示出了根据本发明安装有对流换热系数测量装置的一段机翼的前缘；

图2是图1所示实施例的沿机翼的弦向截取的截面图；

图3是图2所示附图的局部放大图，图中示出了根据本发明的电加热垫的构造；

图4示出对流换热系数测量装置中的加热元件层加热时绝缘传热层和绝缘隔热层中的热传导模型。

具体实施方式

本发明的基本设计原理

以下通过本发明的一个实施例来说明本发明的基本设计原理。作为本发明的一个实施例，将一段机翼作为试验件1，该试验件1包括蒙皮2，即本发明的曲面片材。为了获取蒙皮2表面的对流换热系数，在试验件1的蒙皮2的内表面选择一部分内表面段，在图1所示的实施例中选择两段相距一定距离的沿弦向延伸的狭长内表面段所在的位置，在该两个内表面段上沿弦向安装一定宽度的电加热垫11和12。为了图示的目的，图1仅仅示意性地示出电加热垫11和12在试验件蒙皮2的内表面上沿展向和弦向的位置，实际上从蒙皮2的外表面是看不到电加热垫11和12的，而图2示意性地示出电加热垫11和12在试验件蒙皮2的内表面上沿径向的位置。也可在蒙皮2的内表面选择一个或两个以上的狭长内表面段，同时在其上面分别贴上电加热垫。

同时需在试验件1的蒙皮2的外表面上对应于电加热垫11和12的横向中心的位置，沿电加热垫11和12的纵向加装一定数量的温度传感器13，以从这些温度传感器13的数据分析获取对应位置外表面一定工况下的对流换热系数。

结构形式

电加热垫11和12安装在试验件1的蒙皮2的选定内表面，如图1和2所示。根据试验件1的截面形状，加热垫11和12的曲率需与试验件蒙皮2的内表面曲率完全相同，保证其与试验件蒙皮2的表面充分接触，加热垫11和12与试验件1的蒙皮2通过胶粘剂21连接，如图3所示。图2示意性地示出了试验件1的蒙皮2与加热垫11和12的外形及结构。加热垫11和12沿厚度方向、即径向向内方向主要由绝缘传热层22、加热元件层23和绝缘隔热层24组成（本文中的绝缘指电绝缘），三者彼此间固定连接，如图3所示。

试验时将电加热垫11和12连接至功率可调的直流电源（图中未示出），电源尽可能地显示供电时的电压及电流值。

在选取的内表面段的对应于电加热垫11和12位置的外表面布置一定数量的温度传感器13，由于蒙皮的曲率度会影响蒙皮表面的使用环境下（即在一定工况下）的对流换热系数，因此在曲率较大的位置处（图2中所示的机翼的前缘区域）应选取较多数量的测温点，即沿蒙皮2的被测量部分的弦向，曲率越大，安装的温度传感器13的密度越大，以确保蒙皮2的前缘区域对流换热系数分布测量的准确性。测温点的选取如图2中温度传感器13所在的位置所示。

将温度传感器13通过线缆连接至数据采集系统，较佳地可选取采用显示器以显示数据，以及时了解试验过程中温度数据的稳定特性。

电加热垫的材料

为了保证电加热垫11和12中的加热元件层23以恒定功率输出，较佳的是，要求加热元件层23的材料的加热电阻不受温度上升的影响，因此，选择电阻随温度变化小的恒阻材料,例如，Cr20Ni80，作为加热元件层23的材料。加热垫11和12的绝缘传热层22和绝缘隔热层24可以采用相同材料，电绝缘传热层22的厚度小于电绝缘隔热层24的厚度,较佳地，例如采用玻璃纤维布，以增加加热垫11和12的强度，同时具备一定的可弯曲性，以符合蒙皮的弯曲曲率，满足曲面安装的要求。加热垫的耐介质强度主要与隔离层有关，因此要求隔离层的电绝缘性好。为了将加热元件层23产生的热量尽可能多的通过绝缘传热层22传导到蒙皮2上，绝缘隔热层24要比绝缘传热层22厚一些。考虑到加热空间问题，本发明中尽量使得加热垫11和12的厚度尽可能小，并将加热垫构造成其温度分布是均匀的。与加热元件层23直接接触的只有绝缘隔热层24和绝缘传热层22，它们采用相同的材料。绝缘传热层22与被测试验件的蒙皮2的内表面直接接触，属于传热层。绝缘隔热层24不与试验件中任何表面接触，因此绝缘隔热层24的热量散发只考虑热辐射和对流换热。在试验过程中，绝缘隔热层24的对流换热为自然对流换热，由于是隔热材料，其换热系数较低，可忽略。

加热垫的设计

1）根据加热区域的面积，结合被测表面的目标温度，初步计算加热垫的额定加热功率；

2）根据确定的加热垫，计算加热垫的电阻值，并确定额定加热电压；

3）根据以上参数选定电源大小；

4）根据设计完成的加热垫结构形式，确定有效加热功率百分比。例如若确定绝缘隔热层24与绝缘传热层22的厚度之比约为4:1，由于相对绝缘传热层22的导热效率高，绝缘隔热层24的自然对流换热和热辐射换热效率很小，加热垫的加热效率只与绝缘传热层22、绝缘隔热层24的厚度有关，当绝缘传热层22的厚度越薄，绝缘隔热层24的厚度越厚时，加热垫有效加热效率越大，可建立图4所示的热传导模型，其中的加热垫有效加热功率百分比约为80%。图中：T指加热元件层23的温度，T01代表绝缘传热层22的邻近蒙皮2的边界温度，T02代表绝缘隔热层24的远离蒙皮2的边界温度。

5）对于加工后的曲面加热垫通电时，在室温、无外流场的地面条件下通过红外热像仪检查加热垫表面加热热流均匀性，若不均匀则通过调整加热元件层23的布置确保曲面加热垫11和12加热均匀；

6）将加热垫采用胶结形式固定在试验件对流换热系数测量面的另一侧表面；

7）加热垫安装结束后，给加热元件23通电，通过红外热像仪观察试验件测试表面的热流均匀性，确保加热垫与试验件表面充分接触。

试验件温度传感器加装

1）为了准确获取试验件1在一定工况下（较佳的是在尽可能模拟试验件1的实际使用环境的外界流场条件下）的局部对流换热系数，减少传感器对外流场的影响，本发明中采用线缆直径较小（例如可选0.12mm）的K型热电偶；

2）根据确定的测量表面，为了更准确获取试验件1选定表面（即机翼前缘外表面）的对流换热系数分布，如图2所示，在曲率大的最前缘位置选取更多的测温点，测温点上安装有温度传感器13；

3）根据试验件被测表面的材料，可将温度传感器13的热电偶头采用胶结或者焊接的形式固定在选取的测温点位置处，其中选取的粘接胶导热性能好且耐高温；

4）外突的热电偶头会影响试验环境中的外流场，所以为了避免热电偶头突出，安装前在安装位置处打一小锪孔，确保热电偶与被测试表面之间的牢固连接，同时使热电偶头不外突。

对流换热系数测量

1）将带有电加热垫的试验件放置在一定工况（针对本实施例，包括温度、流速、海拔等）的风洞中或者具有稳定强制对流的环境中，较佳地，该风洞的工况尽可能模拟或接近试验件的使用环境；

2）风洞开启，同时给电加热垫按照额定功率供电；

3）风洞参数稳定后通过观察被测试曲面表面的温度传感器13的热电偶值，待其稳定后，可根据h=q/(ts-t0)计算对应工况下每一测温点处的对流换热系数，其中q为均匀的加热热流密度（通过直流电源输出获取）、ts为试验件被测表面对应位置处的温度、t0为风洞试验时的环境温度；

4）ts与t0之差为△t，为了得到比较准确的测试结果，△t控制在一定的范围内，较佳的是在10℃与80℃范围，更好的是在25-55℃的范围。若发现ts偏低或者偏高例如：△t<10℃或△t>80℃，可通过调节电源的输出功率来改变，以获取达到满足要求的表面温度ts。

上述示例性的实施例示出了解决本发明要解决的技术问题的技术方案中的一个实施例。在该实施例的示例下，其它符合本发明原理的等效和类似的手段都属于本发明保护的范围中。

本发明提供一种用于曲面在对流环境下的对流换热系数的测量装置和测量方法，具体地涉及一种借助风洞试验测量机翼前缘外表面对流换热系数的测量方法。根据本发明的发明原理，通过设计一整片柔性电热垫，确保其安装至曲面表面后能够充分接触，同时针对设计及安装完成后的电加热垫采用红外热像仪进行静态时加热功率密度均匀性的检验，确保采用恒热流法时加热热流密度的均匀输出。同时采用恒热流法使用一个整片的加热垫，使安装和控制简单，操作易实施。例如，温度传感器13的个数和分布不局限于上述实施例，根据具体要求可以改变。同样，电加热垫的个数和分布也不局限于上述实施例，根据具体要求可以改变。本发明的对流换热系数测量装置不局限于测试弯曲片材的表面的对流换热系数，也可以测试平面片材的表面的对流换热系数。

Claims (14)

1.一种曲面片材的表面对流换热系数的测量装置，

所述测量装置包括：

至少一个电加热垫（11，12），所述电加热垫（11，12）是柔性的，使得其可弯曲成与所述片材的内表面同样的形状，所述电加热垫（11，12）包括绝缘传热层（22）、加热元件层（23）和绝缘隔热层（24），所述加热元件层（23）固定地连接在所述绝缘传热层（22）与所述绝缘隔热层（24）之间，所述电加热垫（11，12）构造成使得所述绝缘传热层（22）与所述片材的内表面的第一表面紧密接触；

至少一个温度传感器（13），所述温度传感器（13）安装于所述片材的与所述内表面的第一表面相对的外表面的第二表面上；

控制装置，用于控制电加热垫（11，12）的需要被控制的参数。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

所述加热元件层（23）构造成使得从所述电加热垫（11，12）的所述加热元件层（23）传导到所述绝缘传热层（22）的热量在所述绝缘传热层（22）的分布均匀，所述加热元件层（23）由加热电阻不受温度变化影响的恒阻材料制成。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

所述电加热垫（11，12）包括至少两个电加热垫，所述电加热垫沿其横向方向和/或纵向方向间隔地紧贴于所述片材的内表面的第一表面，在所述片材的外表面上的对应于每一电加热垫的第二表面，设置多个所述温度传感器（13）。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

所述片材为沿狭长电加热垫（11，12）的纵向弯曲的曲面片材，并具有不同的曲率，所述温度传感器（13）在曲率大的表面上的设置密度大于曲率小的表面上的设置密度，且其布置在对应于所述加热垫的横向中心的位置。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

所述绝缘传热层（22）和所述绝缘隔热层（24）由相同材料制成，且所述绝缘隔热层（24）的厚度大于所述绝缘传热层（22）的厚度。

6.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

所述绝缘隔热层（24）和所述绝缘传热层（22）由玻璃纤维材料制成。

7.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

所述加热元件层（23）的材料包括Cr20Ni80。

8.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，

所述温度传感器（13）是线缆直径为约0.12mm的K型热电偶。

9.一种用权利要求1－8中的任何一项所述的测量装置测量片材的对流换热系数的测量方法，

包括如下步骤：

（a）确定片材的被测试表面和加热垫的额定加热电压；

（b）将可弯曲的电加热垫（11，12）中的绝缘传热层（22）紧贴于所述片材的内表面，使所述绝缘传热层（22）与所述片材的内表面的第一表面紧密接触，所述被测试表面为与所述内表面相对的外表面；

（c）将所述温度传感器（13）安装在所述片材的被测试表面上，且位于与所述第一表面相对的第二表面上；

（d）将带有电加热垫的片材放置在能够产生预定工况的环境中,在所述预定工况下，加热电加热垫（11，12），并用控制装置调节加热电加热垫（11，12）需要被控制的参数；

（e）从温度传感器（13）获取所述片材被测表面对应位置处的温度，用公式h=q/(ts-t0)计算对流换热系数，而且，10℃<(ts-t0)<80℃，

其中：

h是对流换热系数；

q是均匀的加热热流密度，通过直流电源输出获取；

ts是片材被测表面对应位置处的温度；

t0是片材所在的环境温度。

10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，

所述能够产生预定工况的环境包括能够产生强制外对流的外流场环境，

在所述步骤（a）中，将可弯曲的电加热垫（11，12）的形状弯曲成与所述片材的内表面的形状相同，并在室温、无外流场的条件下，检查加热垫表面加热热流均匀性，若不均匀则通过调整加热元件层的布置确保加热垫加热均匀。

11.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，

在步骤（b）中，给加热元件层（23）通电，通过红外热像仪观察片材测试表面的热流均匀性，确保加热垫与片材内表面之间的紧密接触。

12.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，

所述温度传感器（13）包括热电偶头，采用胶结或者焊接的形式将所述热电偶头固定在所述片材的所述外表面上的选取的测温点位置处。

13.如权利要求9－12中的任何一项所述的测量方法，其特征在于，所述产生强制外对流的外流场环境大致模拟所述片材的使用环境。

14.如权利要求13所述的测量方法，其特征在于，所述片材为飞机机翼的蒙皮，所述产生强制外对流的外流场环境大致模拟所述飞机的飞行环境。

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