CN108333089A - 一种透气性分析方法、系统和透气性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种透气性分析方法，该方法的步骤包括：获取待分析试件的透气性能试验数据；基于所述透气性能试验数据，构建压力与等效渗透率的关联模型；根据所述关联模型，计算某压力点或某压力范围对应的渗透率。本申请所述技术方案能够针对微纳尺度多孔材料进行透气性能分析，并以此为依据，更为准确的评估微纳尺度多孔材料在急速加热情况下内部压力分布的情况。
Description
技术领域
本申请涉及飞行器性能分析领域，尤其涉及一种透气性分析方法及透气性测试装置。
背景技术
高超声速飞行器飞行过程中面临着严酷气动热环境，需进行热防护以保证主承载结构、舱内设备工作在适宜温度。
纤维增强气凝胶材料由于其优异的隔热性能、适宜的力学性能，目前已广泛应用于高速飞行器。但由于材料为多孔结构，孔隙率可达到80％以上，往往具有较强吸附性，如空气中的水分等，这可能导致材料在急速加热情况下水汽急速汽化，内部压力急剧升高，进而导致结构本体破坏或其表面涂层、防护结构破坏。仿真分析是对材料在急速加热情况下内部压力变化及分布情况进行评估的重要手段，这就对准确获得材料渗透率提出了要求。传统的多孔材料渗透率测试方法往往针对孔隙尺度较大，多为微米孔、毫米孔的多孔材料，且需通过压力密封，并不适用于具有微纳多尺度孔隙特征、抗压能力较弱的纤维增强气凝胶材料。
发明内容
本申请实施例提出了一种透气性分析方法、系统和透气性测试装置，以解决传统多孔材料渗透率测试方法不适用于纤维增强气凝胶材料等微纳尺度多孔材料的问题。
为解决上述技术问题之一，本申请提供了一种透气性分析方法，该方法的步骤包括：
获取待分析试件的透气性能试验数据；
基于所述透气性能试验数据，构建压力与等效渗透率的关联模型；
根据所述关联模型，计算某压力点或某压力范围对应的渗透率。
优选地，所述待分析试件为微纳尺度多孔材料。
优选地，所述获取待分析试件的透气性能试验数据的步骤中，至少获取3组待分析试件的试验数据。
优选地，所述基于所述透气性能试验数据，构建压力与等效渗透率的关联模型的步骤包括：
对微纳尺度多孔材料流动方程进行简化；
基于简化后的方程，构建流动速度、压力梯度和等效渗透系数的关系模型；
将所述关系模型代入理想气体状态方程，得到压力与等效渗透率的关联模型：其中，d为待分析试件的厚度，μ为气体粘度，V为气体体积，(P-P0)为压力梯度，dp/dx为压力梯度，K′0为等效渗透系数。
优选地，所述根据所述关联模型，计算某压力点或某压力范围对应的渗透率的步骤包括：
基于所述关联模型，利用某压力范围内随时间变化的速率，计算该压力范围内的平均渗透率；和/或，
基于所述关联模型，利用目标区域压力随时间变化速率，计算某个压力点处的渗透率。
优选地，所述某压力点或某压力范围对应的渗透率通过对多次试验数据分析后的渗透率取平均值获得。
为解决上述技术问题之一，本申请进一步提供了一种透气性分析系统，该系统包括：
数据获取模块，获取待分析试件的透气性能试验数据；
建模单元，基于所述透气性能试验数据，构建压力与等效渗透率的关联模型；
计算模块，根据所述关联模型，计算某压力点或某压力范围对应的渗透率。
优选地，所述建模单元包括：
简化模块，对微纳尺度多孔材料流动方程进行简化；
关系建模模块，基于简化后的方程，构建流动速度、压力梯度和等效渗透系数的关系模型；
将所述关系模型代入理想气体状态方程，得到压力与等效渗透率的关联模型：其中，d为待分析试件的厚度，μ为气体粘度，V为气体体积，(P-P0)为压力梯度，dp/dx为压力梯度，K′0为等效渗透系数。
优选地，所述计算模块具体执行：
基于所述关联模型，利用某压力范围内随时间变化的速率，计算该压力范围内的平均渗透率；和/或，
基于所述关联模型，利用目标区域压力随时间变化速率，计算某个压力点处的渗透率。
优选地，所述计算模块还执行：对多次试验数据分析后的渗透率取平均值，获得所述某压力点或某压力范围对应的渗透率。
为解决上述技术问题之一，本申请进一步提供了一种透气性测试装置，该装置包括：具有进气口和出气口的腔体和具有通孔的端盖；
待分析试件密封夹固在腔体和端盖之间。
优选地，所述腔体的出口处和端盖上分别设有通孔，利用紧固件穿过所述通孔将腔体和端盖固定，并压紧待分析试件。
优选地，该装置进一步包括位于腔体和端盖之间的试件封挡；
待分析试件夹固在所述腔体和端盖之间时，利用所述试件封挡，封堵在所述待分析试件四周为其密封。
优选地，所述试件封挡与待分析试件之间通过密封胶密封。
本发明的有益效果如下：
本申请所述技术方案能够针对微纳尺度多孔材料进行透气性能分析，并以此为依据，更为准确的评估微纳尺度多孔材料在急速加热情况下内部压力分布的情况。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出本申请所述透气性分析方法的示意图；
图2示出本申请所述透气性测试装置的示意图。
附图标号
1、进气口，2、腔体，3、密封胶，4、待分析试件，5、端盖，6、试件封挡。
具体实施方式
为了使本申请的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
本方案的核心思路是将待分析试件置于测试装置中进行多次试验，利用采集得到的试验数据，基于Karniadakis与Beskok提出的微纳尺度多孔材料流动方程构建压力与等效渗透率的关联模型，根据该关联模型进行某压力点或某压力范围对应的渗透率计算，并以此为依据，评估微纳尺度多孔材料在急速加热情况下内部压力分布的情况。
本方案公开了一种透气性分析方法，如图1所示，该方法首先获取多组微纳尺度多孔材料的多组试验数据；再根据每组透气性能试验数据，构建对应的压力与等效渗透率的关联模型；最后，利用该关联模型，计算某压力点或某压力范围对应的渗透率。其中，测试前需测量用于试验的测试装置的容积、待分析试件的厚度、测试装置出气口的内径等参数，用于后续建立关联模型使用。
本方案中，所述基于所述透气性能试验数据，构建压力与等效渗透率的关联模型的具体步骤包括：
根据Karniadakis与Beskok提出的微纳尺度多孔材料流动方程：
其中：
v为流动速度,K0为气体渗透率，μ为气体粘度，α为经验参数，b为滑移系数，dp/dx为压力梯度。
假设参数ζ，表达式为：
公式可简化为：
建立流动速度与压力梯度、等效渗透系数K′0关系。
根据理想气体状态方程：
P·V＝const
对两侧对时间微分，建立流速与体积变化关联关系：
其中：
因此可以得到：
由此可以建立压力随时间变化速率与等效渗透系数间关联关系。
本方案中，若需要获得某压力点的渗透率，则可基于所述关联模型，利用目标区域压力随时间变化速率，计算某个压力点处的渗透率。若需要获得某压力范围对应的渗透率，则可基于所述关联模型，利用某压力范围内随时间变化的速率，计算该压力范围内的平均渗透率。
本方案中，为了保证数据的准确性，进一步的，通过对多次试验数据分析后的渗透率取平均值，获得所述某压力点或某压力范围对应的渗透率。
本方案进一步公开了一种透气性分析系统，该系统包括：数据获取模块，获取待分析试件的透气性能试验数据；建模单元，基于所述透气性能试验数据，构建压力与等效渗透率的关联模型；以及，计算模块，根据所述关联模型，计算某压力点或某压力范围对应的渗透率。
本方案中，所述建模单元包括：简化模块，对微纳尺度多孔材料流动方程进行简化；关系建模模块，基于简化后的方程，构建流动速度、压力梯度和等效渗透系数的关系模型；关联建模模块，将所述关系模型代入理想气体状态方程，得到压力与等效渗透率的关联模型：其中，d为待分析试件的厚度，μ为气体粘度，V为气体体积，(P-P0)为压力梯度，dp/dx为压力梯度，K′0为等效渗透系数。
本方案中，所述计算模块具体执行：基于所述关联模型，利用某压力范围内随时间变化的速率，计算该压力范围内的平均渗透率；和/或，基于所述关联模型，利用目标区域压力随时间变化速率，计算某个压力点处的渗透率。
本方案中，所述计算模块还执行：对多次试验数据分析后的渗透率取平均值，获得所述某压力点或某压力范围对应的渗透率。
本方案进一步提供了一种透气性测试装置，该装置包括：具有进气口和出气口的腔体，所述腔体内沿腔体内壁设有用于卡固待分析试件的凹槽。为了方便实际操作，所述腔体可以设计为左右两半，在使用时将待分析试件卡在凹槽内，将两半腔壁盖合密封固定。也可以将腔体设计为上下分离的两部分，在使用时将待分析试件卡在凹槽内，将两半腔壁盖合密封固定。
本方案还提供了一种透气性测试装置，该装置包括：具有进气口1和出气口的腔体2和具有通孔的端盖5；待分析试件4密封夹固在腔体2和端盖5之间。其中，所述腔体2的出口处和端盖5上分别设有安装孔，利用紧固件穿过所述安装孔将腔体和端盖固定，并压紧待分析试件4。该装置进一步包括位于腔体2和端盖5之间的试件封挡6；待分析试件4夹固在所述腔体2和端盖5之间时，利用所述试件封挡6，封堵在所述待分析试件4四周为其密封。为了保证装置气密性，所述试件封挡6与待分析试件4之间通过密封胶3密封。
下面通过实例对本方案所进一步说明。
本实例针对传统多孔材料渗透率测试方法不适用于纤维增强气凝胶材料等微纳尺度多孔材料的问题，提出一种微纳尺度多孔材料透气性能评估方法，能够获得表征微纳尺度多孔材料透气性能的等效材料渗透率，为评估材料在急速加热情况下内部压力分布等奠定重要基础。
本实例公开了一种适用于微纳尺度多孔材料透气性能评估的透气性能测试装置，该装置包括：具有进气口1和出气口的腔体2、中间具有通孔的端盖5和试件封挡6。
透气性能测试装置使用时待分析试件四周通过试件封挡6封堵、两端分别通过腔体2和端盖5封堵，待分析试件4与腔体2、端盖5和试件封挡6之间的间缝隙通过室温硫化硅橡胶等密封胶3进行封堵。腔体2的出气口处和端盖5上分别设有安装孔，利用螺钉穿过安装孔固定腔体2和端盖5。所述透气性能测试装置使用时通过阀门控制进气口向腔体内充气，压力大于待测压力区间上限后关闭进气阀门。
再利用测试进行试验前需测量获得腔体容积V，端盖内径R，待分析试件厚度d。将待测样品通过硅橡胶与侧堵盖、外堵盖连接，外堵盖与样品室间通过螺钉连接。待密封胶固化后采用肥皂水检测方式进行系统气密性检查。检查时首先打开进气阀门，保证腔体内气体压力大于渗透率测试压力需求上限，保持进气阀门开启，进行系统气密性检查。检查无误后开始透气性能测试。打开进气阀门，待腔体内气体压力升高至高于渗透率测试压力需求上限。关闭进气阀门，开始记录腔体内压力随时间变化P(t)。
本实例公开了一种适用于微纳尺度多孔材料透气性能评估方法，具体的步骤如下：
获取多组微纳尺度多孔材料的多组试验数据后，根据Karniadakis与Beskok提出的微纳尺度多孔材料流动方程：
其中：
v为流动速度,K0为气体渗透率，μ为气体粘度，α为经验参数，b为滑移系数，dp/dx为压力梯度。
假设参数ζ，表达式为：
公式可简化为：
建立流动速度与压力梯度、等效渗透系数K′0关系。
根据理想气体状态方程：
P·V＝const
对两侧对时间微分，建立流速与体积变化关联关系：
其中：
因此可以得到：
由此可以建立压力随时间变化速率与等效渗透系数间关联关系。
由于材料渗透率往往与压力相关，因此试验得到的压力随时间变化值非常数，在计算渗透率时需根据需求处理。当需计算某个压力范围内平均渗透系数时，需对该范围内压力随时间变化速率取平均值。当需计算某个压力点处渗透系数时，直接取当地压力随时间变化速率进行计算。
一般的需对多次测试结果取算数平均数。
本申请所述技术方案能够针对微纳尺度多孔材料进行透气性能分析，并以此为依据，更为准确的评估微纳尺度多孔材料在急速加热情况下内部压力分布的情况。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(装置)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
Claims (10)
1.一种透气性分析方法，其特征在于，该方法的步骤包括：
获取待分析试件的透气性能试验数据；
基于所述透气性能试验数据，构建压力与等效渗透率的关联模型；
根据所述关联模型，计算某压力点或某压力范围对应的渗透率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待分析试件为微纳尺度多孔材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述获取待分析试件的透气性能试验数据的步骤中，至少获取3组待分析试件的试验数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述透气性能试验数据，构建压力与等效渗透率的关联模型的步骤包括：
对微纳尺度多孔材料流动方程进行简化；
基于简化后的方程，构建流动速度、压力梯度和等效渗透系数的关系模型；
将所述关系模型代入理想气体状态方程，得到压力与等效渗透率的关联模型：其中，d为待分析试件的厚度，μ为气体粘度，V为气体体积，P为进口压强、P0为出口压强，dp/dx为压力梯度，A为出口横截面积，K′0为等效渗透系数。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述根据所述关联模型，计算某压力点或某压力范围对应的渗透率的步骤包括：
基于所述关联模型，利用某压力范围内随时间变化的速率，计算该压力范围内的平均渗透率；和/或，
基于所述关联模型，利用目标区域压力随时间变化速率，计算某个压力点处的渗透率。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述某压力点或某压力范围对应的渗透率通过对多次试验数据分析后的渗透率取平均值获得。
7.一种透气性分析系统，其特征在于，该系统包括：
数据获取模块，获取待分析试件的透气性能试验数据；
建模单元，基于所述透气性能试验数据，构建压力与等效渗透率的关联模型；
计算模块，根据所述关联模型，计算某压力点或某压力范围对应的渗透率。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述建模单元包括：
简化模块，对微纳尺度多孔材料流动方程进行简化；
关系建模模块，基于简化后的方程，构建流动速度、压力梯度和等效渗透系数的关系模型；
关联建模模块，将所述关系模型代入理想气体状态方程，得到压力与等效渗透率的关联模型：其中，d为待分析试件的厚度，μ为气体粘度，V为气体体积，P为进口压强、P0为出口压强，dp/dx为压力梯度，A为出口横截面积，K′0为等效渗透系数。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述计算模块具体执行：
基于所述关联模型，利用某压力范围内随时间变化的速率，计算该压力范围内的平均渗透率；和/或，
基于所述关联模型，利用目标区域压力随时间变化速率，计算某个压力点处的渗透率；
优选地，所述计算模块还执行：对多次试验数据分析后的渗透率取平均值，获得所述某压力点或某压力范围对应的渗透率。
10.一种透气性测试装置，其特征在于，该装置包括：具有进气口和出气口的腔体，所述腔体内沿腔体内壁设有用于卡固待分析试件的凹槽；或者
优选地，该装置包括：具有进气口和出气口的腔体和具有通孔的端盖；待分析试件密封夹固在腔体和端盖之间；
优选地，所述腔体的出口处和端盖上分别设有通孔，利用紧固件穿过所述通孔将腔体和端盖固定，并压紧待分析试件；
优选地，该装置进一步包括位于腔体和端盖之间的试件封挡；待分析试件夹固在所述腔体和端盖之间时，利用所述试件封挡，封堵在所述待分析试件四周为其密封；
优选地，所述试件封挡与待分析试件之间通过密封胶密封。
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