CN109187031B - 一种超音速换热器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种超音速换热器，包括管路连通的温度模拟单元和超音速喷管；温度模拟单元包括管体和壳体，管体位于壳体内部，管体内为第一介质通道，管体的外壁与壳体的内壁之间的空间形成第二介质通道；第一介质通道的入口通过管路与第一介质源连通，出口与外界连通；第二介质通道的入口与第二介质源连通，出口与超音速喷管的入口等直段连通。本发明在温度模拟单元和发动机进气口之间设置拉瓦尔型的超音速喷管，实现超音速发动机以及发动机地面试验时，超音速发动机的超音速进气状态模拟，同时，通过超音速喷管进入稳定工作状态计算公式，能够准确确定超音速喷管进入稳定工作状态的时间，大幅缩短试验时间，降低了试验成本，避免了能源浪费。

Description

一种超音速换热器及其使用方法

技术领域

本发明涉及试验测量技术领域，尤其是一种超音速换热器及其使用方法。

背景技术

换热器又称热交换器，是冷热流体间进行换热的设备，在化工、石油、动力、食品等部门，换热器广泛用作加热器、冷却器和冷凝器。对于发动机试车台，换热器也是关键部件，其用于加热发动机模拟实验的进气，在发动机多状态验证试验中，要求一组进气参数达到一个状态点的设定值并稳定后，记录其性能参数和/或考核其性能后进入下一个状态点的试验。随着发动机的日趋成熟，超音速发动机的应用日趋广泛，在此基础上，用于飞机尤其是无人机的超音速发动机以及发动机地面试验时，发动机进气系统需要模拟超音速发动机的超音速进气状态，现有发动机试车台技术，对于超音速发动机进气模拟尚无成熟技术；此外，现有使用换热器加热发动机模拟实验的进气时，没有准确的方法确定换热器是否进入稳定工作状态，即无法准确确定被加热的发动机进气的温度是否进入稳定状态，只能通过大幅提高换热器在一个状态点的运行时间的方式保证换热器进入稳定工作状态，导致试验时间大幅增长，试验成本大幅提高，同时也造成了能源浪费。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种超音速换热器及其使用方法。

本发明的技术解决方案是：一种超音速换热器，包括管路连通的温度模拟单元和超音速喷管；温度模拟单元包括管体和壳体，管体位于壳体内部，管体内为第一介质通道，管体的外壁与壳体的内壁之间的空间形成第二介质通道；超音速喷管包括依次同轴固定连接的入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段；入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段均为中空回转体，入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段的回转轴相同；亚音速收敛段的内部流道为连续收缩的圆弧的轴回转曲面，初始超音速膨胀段的内部流道为连续扩张的圆弧的轴回转曲面，超音速膨胀段的内部流道为圆台面；亚音速收敛段内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的半径相同，亚音速收敛段和初始超音速膨胀段的内部流道连接截面为喉道的截面；超音速膨胀段的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的尾端相切；第一介质通道的入口通过管路与第一介质源连通，出口与外界连通；第二介质通道的入口与第二介质源连通，出口与超音速喷管的入口等直段连通。

进一步的，喷管的亚音速收敛段内部流道连续收缩圆弧的半径至少为喉道直径的4倍。

进一步的，喷管的超音速膨胀段的内部流道圆台面的母线与超音速膨胀段的回转轴的角度大于等于6°，小于等于8°。

上述超音速换热器的使用方法，包括如下步骤：

S1)、以温度模拟单元所能承受的最高工况值向第一介质通道供给第一介质，同时按照试验预定值向第二介质通道供给第二介质；

S2)、保持步骤S1的状态至温度模拟单元进入稳定工作状态；

S3)、将第一介质供给状态由温度模拟单元所能承受的最高工况值供给调节至按照试验预定值供给；

S4)、保持第一介质和第二介质均按照实验预定值供给状态至温度模拟单元进入稳定工作状态；

S5)、待超音速喷管工作稳定后，完成超音速换热器的调试，超音速换热器进入试验工作的稳定状态。

进一步的，温度模拟单元所能承受的最高工况值为温度模拟单元所能承受的第一介质的最高压力、最高温度和最高流量；试验预定值的参数包括介质入口和出口的压力，介质的流量和介质的温度。

进一步的，试验预定值小于温度模拟单元所能承受的最高工况值。

进一步的，步骤S2中，保持步骤1的状态至温度模拟单元进入稳定工作状态，所需时间为T₁；步骤S4中，保持第一介质和第二介质均按照实验预定值供给状态至温度模拟单元进入稳定工作状态，所需时间为T₂；T₁和T₂均按照温度模拟单元进入稳定工作状态计算公式确定；温度模拟单元进入稳定工作状态计算公式为：

式中：T_x为温度模拟单元进入稳定工作状态的时间，单位为s；m为整个管体的质量，单位为kg，为已知量；c_mp为管体的定压比热，单位为J/kg·K，为已知量；h_h为管体内壁对流换热系数，单位为W/(m²·K)，为已知量；A_si为整个管体的内壁面积，单位为m²，为已知量；m_h为在第一介质通道内的第一介质的质量，单位为kg，为已知量；c_ph为第一介质的定压比热，单位为J/kg·K，为已知量；h_c为管体外壁对流换热系数，单位为W/(m²·K)，为已知量；A_se为整个管体的外壁面积，单位为m²，为已知量；m_c为在第二介质通道内的第二介质的质量，单位为kg，为已知量；c_pc为第二介质的定压比热，单位为J/kg·K，为已知量。

进一步的，步骤S5中，超音速喷管工作稳定的时间为T_w，T_w按照超音速喷管进入稳定工作状态计算公式确定；超音速喷管进入稳定工作状态计算公式为：

式中：T_w为超音速喷管工作稳定的时间，单位为s；p_ti为超音速喷管工作稳定时，超音速喷管内的总压，单位为Mpa，为已知量；p_t1j为温度模拟单元进入稳定工作状态时，超音速喷管内的总压，单位为Mpa，为已知量；q_mai为超音速喷管工作稳定时，超音速喷管内的介质流量，单位为kg/s，为已知量；R为气体常数，单位为J/(kg·K)，为已知量；T为超音速喷管工作稳定时超音速喷管内的介质总温，单位为K，为已知量；V为超音速喷管内介质的体积，单位为m³，为已知量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明的超音速换热器及其使用方法，在温度模拟单元和发动机进气口之间设置拉瓦尔型的超音速喷管，实现超音速发动机以及发动机地面试验时，超音速发动机的超音速进气状态模拟，同时，通过大量的试验数据以及创造性的对数据曲线拟合，确定了超音速喷管介质充满并进入稳定工作状态计算公式，能够准确确定超音速喷管进入稳定工作状态的时间，大幅缩短试验时间，降低了试验成本，避免了能源浪费。

2、现有技术中，对于温度模拟单元的使用均是按照试验预定值向换热器输入热气流，导致管体温度提升慢，温度分布不均，温度模拟单元工作状态不稳定，以致温度模拟单元进入稳定工作状态时间过长，本发明的超音速换热器的使用方法，创造性的在启动时，先使用换热器所能承受的最高工况值向温度模拟单元输入热气流，使温度模拟单元的内管满负荷工作，以最快的速度热起来，管体温度提升速度快，温度分布均匀，再由满负荷状态调整为试验预定值，进入稳定工作状态时间大幅缩短。

3、本发明的超音速换热器及其使用方法，其温度模拟单元的使用过程中，通过大量的试验数据以及创造性的对数据曲线拟合，确定了高准确度的温度模拟单元进入稳定工作状态计算公式，能够准确确定温度模拟单元进入稳定工作状态的时间，大幅缩短试验时间，降低了试验成本，避免了能源浪费。

附图说明

图1为本发明的超音速换热器的原理示意图。

图2为本发明的超音速换热器中温度模拟单元的局部结构示意图。

图3为本发明的超音速换热器中超音速喷管的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“抵接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明中的所述的压力与总压相同，均为总压，总压又称驻点压力，指气流速度等嫡滞止到零时的压力，是气流中静压与动压之和，静压是指物体在静止或者匀速直线运动时表面所受的压强，动压，物体在流体中运动时，在正对流体运动的方向的表面，流体完全受阻，此处的流体速度为0，其动能转变为压力能，压力增大，其压力称为全受阻压力，简称全压或总压，它与未受扰动处的压力即静压，之差，称为动压。本发明所述的温度与总温相同，均为总温，总温指一流体以绝热过程完全静止时，它的动能将转化为内能时反映出来的温度，其为动温和静温之和，静温是指温度计与气流相对静止时测得的温度。而动温是当气流受阻滞时动能变为热能，使气体温度升高，升高的温度即为动温。

对于本发明所述的超音速换热器，其在第一介质通道入口，出口，第一介质通道内，第二介质通道入口，出口，第二介质通道内，超音速喷管入口，出口，超音速喷管内均设置有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器均应气流方向设置，用于测量设置传感器截面的总压和总温。

一种超音速换热器，适用于马赫数为1-5的介质，其包括管路连通的温度模拟单元10和超音速喷管20。

所述温度模拟10单元包括管体11和壳体12，所述管体11位于所述壳体12内部，所述管体11内为第一介质通道，所述管体11的外壁与所述壳体12的内壁之间的空间形成第二介质通道；所述温度模拟10工作时，第一介质在第一介质通道内流通，第二介质在第二介质通道内流通，第一介质温度高于第二介质，所述第一介质和第二介质通过所述管体11的管壁实现换热。

所述超音速喷管20包括依次同轴固定连接的入口等直段21，亚音速收敛段22，初始超音速膨胀段24和超音速膨胀段25；所述入口等直段21，亚音速收敛段22，初始超音速膨胀段24和超音速膨胀段25均为中空回转体，所述入口等直段21，亚音速收敛段22，初始超音速膨胀段24和超音速膨胀段25的回转轴相同；所述亚音速收敛段22的内部流道为连续收缩的圆弧的轴回转曲面，所述初始超音速膨胀段24的内部流道为连续扩张的圆弧的轴回转曲面，所述超音速膨胀段25的内部流道为圆台面；亚音速收敛段22内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段24内部流道连续扩张圆弧的半径相同，所述亚音速收敛段22和初始超音速膨胀段24的内部流道连接截面为喉道23的截面；超音速膨胀段25的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段24内部流道连续扩张圆弧的尾端相切；所述第一介质通道的入口通过管路与第一介质源连通，出口与外界连通；所述第二介质通道的入口与第二介质源连通，出口与所述入口等直段21连通，所述超音速喷管工作时，亚音速介质经喷管入口，即入口等直段入口进入，通过亚音速收敛段加速至喉道达到音速后，经初始超音速膨胀段初始膨胀，当气流通过泉流区完成初步膨胀，继续保持其膨胀角不变的条件下进一步使气流膨胀到设计点马赫数，由喷管出口即超音速膨胀段出口喷出。

优选的，所述喷管20的亚音速收敛段22内部流道连续收缩圆弧的半径至少为所述喉道23直径的4倍，以减少介质的压力损失。

优选的，所述喷管20的超音速膨胀段25的内部流道圆台面的母线与所述超音速膨胀段25的回转轴的角度大于等于6°，小于等于8°，以减少介质膨胀时的压力损失。

所述的超音速换热器的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1)、以所述温度模拟单元10所能承受的最高工况值向第一介质通道供给第一介质，同时按照试验预定值向第二介质通道供给第二介质；其中，所述温度模拟单元10所能承受的最高工况值为所述温度模拟单元10所能承受的第一介质的最高压力、最高温度和最高流量；试验预定值的参数包括介质入口和出口的压力，介质的流量和介质的温度，试验预定值小于所述温度模拟单元10所能承受的最高工况值。

S2)、保持步骤S1的状态至温度模拟单元10进入稳定工作状态。

S3)、将第一介质供给状态由温度模拟单元10所能承受的最高工况值供给调节至按照试验预定值供给。

S4)、保持第一介质和第二介质均按照实验预定值供给状态至温度模拟单元10进入稳定工作状态。

S5)、待超音速喷管20工作稳定后，完成超音速换热器的调试，超音速换热器进入试验工作的稳定状态。

优选的，步骤S2中，保持步骤1的状态至温度模拟单元10进入稳定工作状态，所需时间为T₁；步骤S4中，保持第一介质和第二介质均按照实验预定值供给状态至温度模拟单元10进入稳定工作状态，所需时间为T₂；T₁和T₂均按照温度模拟单元进入稳定工作状态计算公式确定；温度模拟单元进入稳定工作状态计算公式为：

式中：T_x为温度模拟单元进入稳定工作状态的时间，单位为s；m为整个管体的质量，单位为kg，为已知量；c_mp为管体的定压比热，单位为J/kg·K，为已知量；h_h为管体内壁对流换热系数，单位为W/(m²·K)，为已知量；A_si为整个管体的内壁面积，单位为m²，为已知量；m_h为在第一介质通道内的第一介质的质量，单位为kg，为已知量；c_ph为第一介质的定压比热，单位为J/kg·K，为已知量；h_c为管体外壁对流换热系数，单位为W/(m²·K)，为已知量；A_se为整个管体的外壁面积，单位为m²，为已知量；m_c为在第二介质通道内的第二介质的质量，单位为kg，为已知量；c_pc为第二介质的定压比热，单位为J/kg·K，为已知量。

优选的，步骤S5中，所述超音速喷管20工作稳定的时间为T_w，T_w按照超音速喷管进入稳定工作状态计算公式确定；超音速喷管进入稳定工作状态计算公式为：

式中：T_w为超音速喷管工作稳定的时间，单位为s；p_ti为超音速喷管工作稳定时，超音速喷管内的总压，单位为Mpa，为已知量；p_t1j为温度模拟单元进入稳定工作状态时，超音速喷管内的总压，单位为Mpa，为已知量；q_mai为超音速喷管工作稳定时，超音速喷管内的介质流量，单位为kg/s，为已知量；R为气体常数，单位为J/(kg·K)，为已知量；T为超音速喷管工作稳定时超音速喷管内的介质总温，单位为K，为已知量；V为超音速喷管内介质的体积，单位为m³，为已知量。

使用所述超音速换热器进行超音速发动机多状态进气模拟试验方法，第一介质通道的入口通过管路与热气源连通，出口与外界连通，第二介质通道的入口与发动机进气模拟气源连通，出口与所述超音速喷管20的入口等直段21连通，所述超音速喷管20的超音速膨胀段25出口与被试发动机的进气口连通。温度模拟单元10所能承受的最高工况值的参数包括热气流的压力，流量和温度；模拟试验状态点的预定值参数包括发动机进气的压力，流量和温度，所有模拟试验状态点的预定值均小于换热器所能承受的最高工况值，所述温度模拟单元10工作时，热气流在第一介质通道内流通，发动机进气模拟气在第二介质通道内流通，热气流和发动机进气模拟气通过所述管体11的管壁换热。所述超音速喷管工作时，亚音速介质经喷管入口，即入口等直段入口进入，通过亚音速收敛段加速至喉道达到音速后，经初始超音速膨胀段初始膨胀，当气流通过泉流区完成初步膨胀，继续保持其膨胀角不变的条件下进一步使气流膨胀到设计点马赫数，由喷管出口即超音速膨胀段出口喷出。

所述超音速发动机多状态进气模拟试验的方法包括如下步骤：

S1)、以温度模拟单元10所能承受的最高工况值向第一介质通道供给热气流，优选的，热气流的温度为600K-1050K；同时按照第一模拟试验状态点的预定值向第二介质通道供给发动机进气模拟气。

S2)、保持步骤S1的状态至温度模拟单元进入稳定工作状态。

S3)、将热气流供给状态由以温度模拟单元所能承受的最高工况值供给调节至按照第一模拟试验状态点的预定值供给。

S4)、保持热气流和发动机进气模拟气均按照实验第一模拟试验状态点的预定值供给状态至温度模拟单元进入稳定工作状态。

S5)、待超音速喷管20工作稳定后，完成超音速换热器的调试，超音速换热器进入试验工作的稳定状态，开始发动机第一状态点进气模拟试验至该状态点进气模拟试验结束。

S6)、同时将热气流和发动机进气模拟气的供给状态调节至按照第N模拟试验状态点的预定值供给，其中，N≥2。

S7)、保持热气流和发动机进气模拟气均按照实验第N模拟试验状态点的预定值供给状态至换热器进入稳定工作状态，待超音速喷管20工作稳定后，开始发动机第N状态点进气模拟试验至该状态点进气模拟试验结束。

S8)、重复步骤S6-S7，直至完成所有模拟试验点的试验。

优选的，步骤S2中，保持步骤S1的状态至温度模拟单元进入稳定工作状态所需时间，步骤S4中，保持热气流和发动机进气模拟气均按照实验第一模拟试验状态点的预定值供给状态至温度模拟单元进入稳定工作状态所需时间，步骤S7中，保持热气流和发动机进气模拟气均按照实验第N模拟试验状态点的预定值供给状态至温度模拟单元进入稳定工作状态所需时间均按照换热器进入稳定工作状态计算公式确定。

优选的，步骤S5中，超音速喷管20进入工作稳定的时间以及步骤S7中超音速喷管进入工作稳定的时间按照超音速喷管进入稳定工作状态计算公式确定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种超音速换热器的使用方法，其特征在于，其中超音速换热器包括管路连通的温度模拟单元和超音速喷管；

温度模拟单元包括管体和壳体，管体位于壳体内部，管体内为第一介质通道，管体的外壁与壳体的内壁之间的空间形成第二介质通道；

超音速喷管包括依次同轴固定连接的入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段；入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段均为中空回转体，入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段的回转轴相同；亚音速收敛段的内部流道为连续收缩的圆弧的轴回转曲面，初始超音速膨胀段的内部流道为连续扩张的圆弧的轴回转曲面，超音速膨胀段的内部流道为圆台面；亚音速收敛段内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的半径相同，亚音速收敛段和初始超音速膨胀段的内部流道连接截面为喉道的截面；超音速膨胀段的内部流道圆台面的母线与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的尾端相切；

第一介质通道的入口通过管路与第一介质源连通，出口与外界连通；第二介质通道的入口与第二介质源连通，出口与超音速喷管的入口等直段连通；

所述的超音速换热器的使用方法，包括如下步骤：

S1)、以温度模拟单元所能承受的最高工况值向第一介质通道供给第一介质，同时按照试验预定值向第二介质通道供给第二介质；

S2)、保持步骤S1的状态至温度模拟单元进入稳定工作状态；

S3)、将第一介质供给状态由温度模拟单元所能承受的最高工况值供给调节至按照试验预定值供给；

S4)、保持第一介质和第二介质均按照试验预定值供给状态至温度模拟单元进入稳定工作状态；

S5)、待超音速喷管工作稳定后，完成超音速换热器的调试，超音速换热器进入试验工作的稳定状态。

2.根据权利要求1所述的超音速换热器，其特征在于：超音速喷管的亚音速收敛段内部流道连续收缩圆弧的半径至少为喉道直径的4倍。

3.根据权利要求1所述的超音速换热器，其特征在于：超音速喷管的超音速膨胀段的内部流道圆台面的母线与超音速膨胀段的回转轴的角度大于等于6°，小于等于8°。

4.根据权利要求1所述的超音速换热器，其特征在于，

温度模拟单元所能承受的最高工况值为温度模拟单元所能承受的第一介质的最高压力、最高温度和最高流量；试验预定值的参数包括介质入口和出口的压力，介质的流量和介质的温度。

5.根据权利要求1所述的超音速换热器，其特征在于，试验预定值小于温度模拟单元所能承受的最高工况值。

6.根据权利要求1所述的超音速换热器，其特征在于，步骤S2中，保持步骤S1的状态至温度模拟单元进入稳定工作状态，所需时间为T₁；步骤S4中，保持第一介质和第二介质均按照试验预定值供给状态至温度模拟单元进入稳定工作状态，所需时间为T₂；T₁和T₂均按照温度模拟单元进入稳定工作状态计算公式确定；温度模拟单元进入稳定工作状态计算公式为：

式中：T_x为温度模拟单元进入稳定工作状态的时间，单位为s；m为整个管体的质量，单位为kg，为已知量；c_mp为管体的定压比热，单位为J/kg·K，为已知量；h_h为管体内壁对流换热系数，单位为W/(m²·K)，为已知量；A_si为整个管体的内壁面积，单位为m²，为已知量；m_h为在第一介质通道内的第一介质的质量，单位为kg，为已知量；c_ph为第一介质的定压比热，单位为J/kg·K，为已知量；h_c为管体外壁对流换热系数，单位为W/(m²·K)，为已知量；A_se为整个管体的外壁面积，单位为m²，为已知量；m_c为在第二介质通道内的第二介质的质量，单位为kg，为已知量；c_pc为第二介质的定压比热，单位为J/kg·K，为已知量。

7.根据权利要求6所述的超音速换热器，其特征在于，

步骤S5中，超音速喷管工作稳定的时间为T_w，T_w按照超音速喷管进入稳定工作状态计算公式确定；超音速喷管进入稳定工作状态计算公式为：

式中：T_w为超音速喷管工作稳定的时间，单位为s；p_ti为超音速喷管工作稳定时，超音速喷管内的总压，单位为Mpa，为已知量；p_t1j为温度模拟单元进入稳定工作状态时，超音速喷管内的总压，单位为Mpa，为已知量；q_mai为超音速喷管工作稳定时，超音速喷管内的介质流量，单位为kg/s，为已知量；R为气体常数，单位为J/(kg·K)，为已知量；T为超音速喷管工作稳定时超音速喷管内的介质总温，单位为K，为已知量；V为超音速喷管内介质的体积，单位为m³，为已知量。