CN108120612B - 一种热试验高温峰值的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种热试验高温峰值的处理方法，通过确定理论加热温度曲线和理论热壁热流曲线、判断是否进行高温峰值处理、高温峰值处理、判断是否满足总加热量等步骤确立达到试验要求的加热温度曲线和热壁热流曲线用于热试验。本发明将试验条件的温度限制作为约束条件，导入到冷壁热流和恢复焓控制的热试验中，使热环境模拟更为精确，大大提高了试验成功率，提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种热试验高温峰值的处理方法，属于热试验设计技术领域。
背景技术
伴随着飞行器飞行速度的逐步提高，飞行器所受气动热越来越大，为了模拟飞行器的受热环境，检验热防护效果，需要进行地面加热试验，加热源一般是石英灯或石墨加热器。
在这类地面加热试验中，因为受到加热器材料特质、温度测量以及加热功率等限制，一般都有加热上限。某些试验中若出现模拟的热环境超过了这个加热限制，一般会采用以下几种方式进行处理，一种是在加热上限温度下进行试验，直至试验结束，这样可以会由于热量聚集，导致试验失败；另一种是根据经验确定一个在加热上限温度的时间段，这样设计的温度曲线不能很好的模拟所需的热环境，造成试验结果不准确。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种温度模拟精确、提高试验成功率的热试验高温峰值的处理方法。
本发明的技术解决方案：一种热试验高温峰值的处理方法，包括以下步骤：
第一步，确定理论加热温度曲线和理论热壁热流曲线，
A1.1、利用公式(1)确定当前时刻t的热壁焓值Hwt，
其中，qw(t-1)为前一时刻的热壁热流，Hrt为当前时刻的恢复焓，qct为当前时刻的冷壁热流，Hcool为冷壁焓值，Tw(t-1)为前一时刻的温度，Tref为参考温度，ε为热试验材料的灰度、σ为斯忒藩.波尔兹曼常数；试验时间t∈[t0,tJ],t0为试验开始时间，tJ为试验结束时间，试验开始时的取值为试验开始时的冷壁热流试验开始时的温度为试验环境温度；
设计指标给定了的热环境参数冷壁热流qc和恢复焓Hr，均为沿试验时间的曲线，根据试验的时间可以从曲线上插值得到当前时刻的恢复焓Hrt和冷壁热流qct；参考温度Tref也是设计指标给定的已知值，冷壁焓值Hcool为参考温度下得到的焓值。
A1.2、根据步骤A1.1得到的热壁焓值Hwt，利用公式(2)确定当前时刻的热壁热流qwt，
A1.3、判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤A1.7,若不满足，则转入步骤A1.4,其中Δqw为预设的热壁热流阈值，热壁热流阈值越小，迭代得到的热壁热流越精确，但迭代次数越多，运算量越大，本领域技术人员根据实际情况进行阈值大小确定，工程中一般取值为冷壁热流qc幅值的0.1％～1％。
A1.4、利用公式(3)确定当前时刻的温度Twt，
其中λ是热试验材料的热导率，x是沿热试验材料法向的位移；
A1.5、根据步骤A1.4确定的当前时刻的温度Twt和步骤A1.1得到的热壁焓值Hwt，利用公式(4)确定当前时刻的热壁热流qwt，
A1.6、判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤A1.8,若不满足，则转入步骤A1.4；
A1.7、确定前一时刻的温度Tw(t-1)为当前时刻的温度Twt，转入步骤A1.9；
A1.8、确定此迭代步骤得到的温度为当前时刻的温度Twt，转入步骤A1.9；
A1.9、判断当前时刻是否到试验结束时间，若没到试验结束时间则将下一时刻确定为当前时刻，转入步骤A1.1，若到试验结束时间，得到试验时间内的理论加热温度曲线和理论热壁热流曲线；
第二步，判断是否进行高温峰值处理，若第一步确定的理论加热温度曲线的最高温度K1超过热试验最高加热温度K2则转入第三进行高温峰值处理，若没超过则认为第一步确定的理论加热温度曲线和理论热壁热流曲线符合试验要求，转入第五步；
热试验最高加热温度K2是由热试验所使用的加热设备决定，加热设备能加热的最高温度。
第三步，高温峰值处理，得到高温峰值处理后的加热温度曲线和热壁热流曲线，
A3.1、确定削峰区间初值值T1和T2；
T1为削峰区间开始时间，即第一步得到的理论加热温度曲线中温度刚到K2的对应时间，T2为削峰区间结束时间，即第一步得到的理论加热温度曲线中温度降到K2后的某个时间，T2≥T2′，T2′为理论加热温度曲线中温度刚降低到小于K2的对应时间T2′，本领域技术人员根据实际情况进行选择。
A3.2利用公式(1)确定当前时刻t的热壁焓值Hwt，利用公式(2)确定当前时刻的热壁热流qwt；
A3.3、判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤A3.6,若不满足，则转入步骤A3.4；
A3.4、利用公式(3)确定当前时刻的温度Twt，再利用公式(4)确定当前时刻的热壁热流qwt，
A3.5、判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤A3.7,若不满足，则转入步骤A3.4；
A3.6、判断当前时刻是否在步骤A3.1确定的削峰区间内，若在则转入步骤A3.8,若不在则确定前一时刻的温度Tw(t-1)为当前时刻的温度Twt，转入步骤A3.12；
A3.7、确定此迭代步骤得到的温度为当前时刻的温度Twt，判断当前时刻是否在步骤A3.1确定的削峰区间内，若在则转入步骤A3.9,若不在则转入步骤A3.12；
A3.8、确定前一时刻的温度Tw(t-1)为当前时刻的温度Twt；
A3.9、判断是否满足Twt-K2≤ΔT，若满足则转入步骤A3.12，若不满足则转入步骤A3.10，ΔT为温度容差；
温度容差ΔT的值越小，确定的削峰区间就越精确，但迭代次数会增加，从而增加运算量，工程中一般取值为加热设备能加热的最高温度K2的0.05％～0.15％，本领域技术人员根据实际情况进行选择。
A3.10、利用公式(5)得到修正后的热壁热流q′w，
q′wt＝qwt-Δqt*ΔT (5)
其中Δqt为当前时刻的热壁热流修正值，且Δqt＝qwt/K2；
A3.11、令qwt＝q′wt，转入步骤A3.5；
A3.12、判断当前时刻是否到试验结束时间，若没到试验结束时间则将下一时刻确定为当前时刻，转入步骤A3.2，若到试验结束时间，得到试验时间内的高温峰值处理后的加热温度曲线和热壁热流曲线；
第四步，判断是否满足|Qw-Q′w|≤ΔQw，若满足，则认为第三步得到的高温峰值处理后的加热温度曲线和热壁热流曲线满足试验要求，转入第五步，若不满足，则调整第三步中的重新设置削峰区间结束时间T2，重复第三步直至满足|Qw-Q′w|≤ΔQw，其中Qw为第一步确定的理论热壁热流曲线得到的在试验时间内的总加热量，Q′w为第三步确定的高温峰值处理后的热壁热流曲线得到的在试验时间内的总加热量，ΔQw为总热量阈值；
对热壁热流曲线进行时间轴上的积分得到总价热量。当不满足|Qw-Q′w|≤ΔQw时，若Qw＞Q′w则将削峰区间结束时间T2往回调即缩短削峰区间；若Qw<Q′w则将削峰区间结束时间T2往后调即延长削峰区间。
总热量阈值ΔQw取值越少，理论和实际的总加热量就越接近，确定的削峰区间就越精确，但迭代次数会增加，从而增加运算量，本领域技术人员可以根据具体情况进行选择，工程中ΔQw的取值一般为理论总加热量的0.1％～1％。
第五步，利用第二步或第四步确认达到试验要求的加热温度曲线和热壁热流曲线进行试验。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明将试验条件的温度限制作为约束条件，导入到冷壁热流和恢复焓控制的热试验中，使热环境模拟更为精确，大大提高了试验成功率，提高了工作效率；
(2)本发明先进行削峰时间段的确定以及削峰效果预测，减少了试验的测试次数和试验件的数量，节约了成本；
(3)本发明约束控制方法简单可行，为军用、民用领域的高速飞行器的地面模拟加热试验设计提供了一种合理的解决办法。
附图说明
图1为本发明实施例确定的理论加热温度曲线，最高温度K1超过试验上限K2；
图2为本发明实施例削峰后的温度曲线；
图3为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
本发明如图3所示，通过以下步骤实现：
1、确定理论加热温度曲线和理论热壁热流曲线
(1)利用公式(1)确定当前时刻t的热壁焓值Hwt，
其中，qw(t-1)为前一时刻的热壁热流，Hrt为当前时刻的恢复焓，qct为当前时刻的冷壁热流，Hcool为冷壁焓值，Tw(t-1)为前一时刻的温度，Tref为参考温度，ε为热试验材料的灰度、σ为斯忒藩.波尔兹曼常数；试验时间t∈[t0,tJ],t0为试验开始时间，tJ为试验结束时间，试验开始时的取值为试验开始时的冷壁热流试验开始时的温度为试验环境温度；
根据试验的时间从冷壁热流qc和恢复焓Hr曲线上插值得到当前时刻的恢复焓Hrt和冷壁热流qct；本实例中参考温度Tref为280K，冷壁焓值Hcool为280K下得到的焓值。
(2)根据步骤(1)得到的热壁焓值Hwt，利用公式(2)确定当前时刻的热壁热流qwt，
(3)判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤(7),若不满足，则转入步骤(4),本实例中热壁热流阈值Δqw取冷壁热流qc幅值的0.1％。
(4)利用公式(3)确定当前时刻的温度Twt，
(5)根据步骤(4)确定的当前时刻的温度Twt和步骤(1)得到的热壁焓值Hwt，利用公式(4)确定当前时刻的热壁热流qwt，
(6)判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤(8),若不满足，则转入步骤(4)；
(7)确定前一时刻的温度Tw(t-1)为当前时刻的温度Twt，转入步骤(9)；
(8)确定此迭代步骤得到的温度为当前时刻的温度Twt，转入步骤(9)；
(9)判断当前时刻是否到试验结束时间，若没到试验结束时间则将下一时刻确定为当前时刻，转入步骤(1)，若到试验结束时间，得到试验时间内的理论加热温度曲线和理论热壁热流曲线。
本实例得到如图1所示的理论加热温度曲线。
2、根据图1，理论加热温度曲线的最高温度K1超过热试验最高加热温度K2，对其进行步骤3高温峰值处理。
3、高温峰值处理，得到高温峰值处理后的加热温度曲线和热壁热流曲线
(1)确定削峰区间初值值T1和T2；
T1为削峰区间开始时间，即第一步得到的理论加热温度曲线中温度刚到K2的对应时间，T2为削峰区间结束时间，本实例中取理论加热温度曲线中温度刚降低到小于K2的对应时间T2′。
(2)利用公式(1)确定当前时刻t的热壁焓值Hwt，利用公式(2)确定当前时刻的热壁热流qwt；
(3)判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤(6),若不满足，则转入步骤(4)；
(4)利用公式(3)确定当前时刻的温度Twt，再利用公式(4)确定当前时刻的热壁热流qwt；
(5)判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤(7),若不满足，则转入步骤(4)；
(6)判断当前时刻是否在步骤(1)确定的削峰区间内，若在则转入步骤(8),若不在则确定前一时刻的温度Tw(t-1)为当前时刻的温度Twt，转入步骤(12)；
(7)确定此迭代步骤得到的温度为当前时刻的温度Twt，判断当前时刻是否在步骤(1)确定的削峰区间内，若在则转入步骤(9),若不在则转入步骤(12)；
(8)确定前一时刻的温度Tw(t-1)为当前时刻的温度Twt；
(9)判断是否满足Twt-K2≤ΔT，若满足则转入步骤(12)，若不满足则转入步骤(10)，本实例中温度容差ΔT为K2的0.1％；
(10)利用公式(5)得到修正后的热壁热流q′w，
q′wt＝qwt-Δqt*ΔT (5)
其中Δqt为当前时刻的热壁热流修正值，且Δqt＝qwt/K2；
(11)令qwt＝q′wt，转入步骤(5)；
(12)判断当前时刻是否到试验结束时间，若没到试验结束时间则将下一时刻确定为当前时刻，转入步骤(2)，若到试验结束时间，得到试验时间内的高温峰值处理后的加热温度曲线(如图2所示)和热壁热流曲线。
4、判断理论热壁热流曲线和高温峰值处理后的热壁热流曲线，是否满足|Qw-Q′w|≤ΔQw，本实例中总热量阈值ΔQw为理论总加热量的1％，满足|Qw-Q′w|≤ΔQw，因此，判定步骤3得到的高温峰值处理后的加热温度曲线和热壁热流曲线满足试验要求。
5、利用步骤4确认的达到试验要求的加热温度曲线和热壁热流曲线进行试验。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (5)
1.一种热试验高温峰值的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，确定理论加热温度曲线和理论热壁热流曲线，
A1.1、利用公式(1)确定当前时刻t的热壁焓值Hwt，
其中，qw(t-1)为前一时刻的热壁热流，Hrt为当前时刻的恢复焓，qct为当前时刻的冷壁热流，Hcool为冷壁焓值，Tw(t-1)为前一时刻的温度，Tref为参考温度，ε为热试验材料的灰度、σ为斯忒藩.波尔兹曼常数；试验时间t∈[t0,tJ],t0为试验开始时间，tJ为试验结束时间，试验开始时的取值为试验开始时的冷壁热流试验开始时的温度为试验环境温度；
A1.2、根据步骤A1.1得到的热壁焓值Hwt，利用公式(2)确定当前时刻的热壁热流qwt，
A1.3、判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤A1.7,若不满足，则转入步骤A1.4,其中Δqw为预设的热壁热流阈值；
A1.4、利用公式(3)确定当前时刻的温度Twt，
其中λ是热试验材料的热导率，x是沿热试验材料法向的位移；
A1.5、根据步骤A1.4确定的当前时刻的温度Twt和步骤A1.1得到的热壁焓值Hwt，利用公式(4)确定当前时刻的热壁热流qwt，
A1.6、判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤A1.8,若不满足，则转入步骤A1.4；
A1.7、确定前一时刻的温度Tw(t-1)为当前时刻的温度Twt，转入步骤A1.9；
A1.8、确定此迭代步骤得到的温度为当前时刻的温度Twt，转入步骤A1.9；
A1.9、判断当前时刻是否到试验结束时间，若没到试验结束时间则将下一时刻确定为当前时刻，转入步骤A1.1，若到试验结束时间，得到试验时间内的理论加热温度曲线和理论热壁热流曲线；
第二步，判断是否进行高温峰值处理，若第一步确定的理论加热温度曲线的最高温度K1超过热试验最高加热温度K2则转入第三进行高温峰值处理，若没超过则认为第一步确定的理论加热温度曲线和理论热壁热流曲线符合试验要求，转入第五步；
第三步，高温峰值处理，得到高温峰值处理后的加热温度曲线和热壁热流曲线，
A3.1、确定削峰区间初值值T1和T2；
T1为削峰区间开始时间，即第一步得到的理论加热温度曲线中温度刚到K2的对应时间，T2为削峰区间结束时间，即第一步得到的理论加热温度曲线中温度降到K2后的某个时间，T2≥T′2，T′2为理论加热温度曲线中温度刚降低到小于K2的对应时间T′2；
A3.2利用公式(1)确定当前时刻t的热壁焓值Hwt，利用公式(2)确定当前时刻的热壁热流qwt；
A3.3、判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤A3.6,若不满足，则转入步骤A3.4；
A3.4、利用公式(3)确定当前时刻的温度Twt，再利用公式(4)确定当前时刻的热壁热流qwt；
A3.5、判断是否满足|qwt-qw(t-1)|≤Δqw，若满足则转入步骤A3.7,若不满足，则转入步骤A3.4；
A3.6、判断当前时刻是否在步骤A3.1确定的削峰区间内，若在则转入步骤A3.8,若不在则确定前一时刻的温度Tw(t-1)为当前时刻的温度Twt，转入步骤A3.12；
A3.7、确定此迭代步骤得到的温度为当前时刻的温度Twt，判断当前时刻是否在步骤A3.1确定的削峰区间内，若在则转入步骤A3.9,若不在则转入步骤A3.12；
A3.8、确定前一时刻的温度Tw(t-1)为当前时刻的温度Twt；
A3.9、判断是否满足Twt-K2≤ΔT，若满足则转入步骤A3.12，若不满足则转入步骤A3.10，ΔT为温度容差；
A3.10、利用公式(5)得到修正后的热壁热流q′w，
q′wt＝qwt-Δqt*ΔT (5)
其中Δqt为当前时刻的热壁热流修正值，且Δqt＝qwt/K2；
A3.11、令qwt＝q′wt，转入步骤A3.5；
A3.12、判断当前时刻是否到试验结束时间，若没到试验结束时间则将下一时刻确定为当前时刻，转入步骤A3.2，若到试验结束时间，得到试验时间内的高温峰值处理后的加热温度曲线和热壁热流曲线；
第四步，判断是否满足|Qw-Q′w|≤ΔQw，若满足，则认为第三步得到的高温峰值处理后的加热温度曲线和热壁热流曲线满足试验要求，转入第五步，若不满足，则调整第三步中的重新设置削峰区间结束时间T2，重复第三步直至满足|Qw-Q′w|≤ΔQw，其中Qw为第一步确定的理论热壁热流曲线得到的在试验时间内的总加热量，Q′w为第三步确定的高温峰值处理后的热壁热流曲线得到的在试验时间内的总加热量，ΔQw为总热量阈值；
第五步，利用第二步或第四步确认达到试验要求的加热温度曲线和热壁热流曲线进行试验。
2.根据权利要求1所述的一种热试验高温峰值的处理方法，其特征在于：所述步骤A3.9中温度容差取值为加热设备能加热的最高温度K2的0.05％～0.15％。
3.根据权利要求1所述的一种热试验高温峰值的处理方法，其特征在于：所述第四步中当不满足|Qw-Q′w|≤ΔQw时，若Qw＞Q′w则将削峰区间结束时间T2往回调即缩短削峰区间，若Qw＜Q′w则将削峰区间结束时间T2往后调即延长削峰区间。
4.根据权利要求1或3所述的一种热试验高温峰值的处理方法，其特征在于：所述第四步中总热量阈值ΔQw的取值为理论总加热量Qw的0.1％～1％。
5.根据权利要求1所述的一种热试验高温峰值的处理方法，其特征在于：所述步骤A1.3热壁热流阈值Δqw取值为冷壁热流qc幅值的0.1％～1％。
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