CN1122438C - 发汗电极控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发汗电极控制装置及控制方法，其特征在于，加热电极设计成透气性多孔导电材料的发汗电极后，使电极的严重烧蚀得到有效控制。在气发汗数字模型基础上建立的分布参数计算机控制系统实现了闭合回路自动控制，其控制机构为二进制孔板阀门组合型，使控制参数接近连续变化。本发明能使发汗电极控制装置的能量利用率增加近一倍。

Description

发汗电极控制装置及控制方法

本发明涉及一种由透气性多孔材料制成的发汗电极的发汗电极控制装置及控制方法。

目前电弧加热设备的电极是用水的对流冷却使电极降温，以便达到防止电极迅速烧毁的目的。电极是电弧的核心部件，冷却水所携带的能量约为输入电弧加热装置全部能量的一半，大量的热能进入冷却池后则白白浪费。发汗冷却控制防烧蚀理论研究已进行了十几年的探索。从多种角度证实发汗冷却不仅能有效控制结构的温度，而且能有效控制受热表面的烧蚀。经过数学仿真得到如下结果：水对流冷却的电极在 ${\stackrel{\·}{m}}_L=0.76/{\mathrm{cm}}^2.s$ 时，外表面温度高达7700K，内表面温度高达6200K。此时由于外表面的热要通过结构一层一层向里传，到达内表面时水对流冷却带走的热量非常有限。然而，发汗剂流经结构层时，带走的热量要容易得多。因此，发汗冷却控制能使结构层的温度大大降低。对同一流量 $({\stackrel{\·}{m}}_L=0.76/{\mathrm{cm}}^2.s)$ 和同一初始温度(77°k)的冷却剂，发汗冷却能使热层外表面温度接近900K，内表面接近880K，将上述两组数据作比较，发汗控制的热层温度远远低于水对流冷却的热层温度。于是确信了发汗冷却控制防热的价值。数学模型如下： $\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\α}\frac{{\∂}^{2}T}{\∂y^2}+\mathrm{\β}\frac{\∂T}{\∂y}+\frac{c_{\mathrm{pL}}T}{{\mathrm{\ρ}}_z{c}_p}\frac{\∂M_L}{\∂y}+s\frac{l-y\∂T}{L-s\∂y},y\∈(s,l)$ $\frac{\∂P}{\∂t}=A(P,U)\frac{{\∂}^{2}P}{{\∂y}^2}+B(P,U)\frac{\∂P}{\∂y}+C(P,U)$ ${\mathrm{\ρ}}_{z}L\stackrel{\·}{s}\left(t\right)-K\frac{\∂T}{\∂y}=\mathrm{\ψ}\left(M_L(s,t)\right)\·q\left(t\right),P(s,t)=P_0$ $-k\frac{\∂T}{\∂y}=M_L(l,t)(\mathrm{\Δ}{h}_N-\mathrm{\Δ}{h}_C),P(l,t)=P_l\left(t\right)$ $A(P,U)=\frac{\mathrm{\σP}}{\mathrm{\Φ\μ}\left(U\right)}$ $B(P,U)=\frac{\mathrm{\σP}}{\mathrm{\Φ\μ}\left(U\right)}(\frac{\∂\ln P}{\∂y}-\frac{\∂\ln \left(\mathrm{RU}\right)}{\∂y}-\frac{\∂\ln \mathrm{\μ}\left(U\right)}{\∂y})---\left(1\right)$ $C(P,U)=P\frac{\∂\ln \left(\mathrm{RU}\right)}{\∂t}$ $M_L=\frac{\mathrm{\σP}}{\mathrm{RU\μ}\left(U\right)}\frac{\∂P}{\∂y}$ $U\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}\\ U_n\end{array}\right]={\∫}_{\mathrm{\Ω}}T(y,t)\left[\begin{array}{c}{a}_1\left(y\right)\\ a_2\left(y\right)\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}\\ a_n\left(y\right)\end{array}\right]\mathrm{dy}$ 式中T温度；P压力；α＝k/(ρ·c_p)， $\mathrm{\β}={\stackrel{\·}{m}}_L{C}_{\mathrm{pL}}/(\mathrm{\ρ}\·c_p);$ t，y是固定坐标系的独立坐标；l热层初始厚度；

表面烧蚀速度；s(t)烧蚀距离； 发汗剂秒流量。

为消融热；ψ阻塞系数；Δh_N，Δh_c分别为贮箱内冷却剂热容和内壁界面处热容。如果点测量，有a_i(y)＝δ(y-y_i)。 $M_L=\stackrel{\·}{m}\left(t\right);$ R气体常数.ρ_z，c_p分别为多孔材料的密度和比热；c_PL为发汗剂比热。σ，Φ，μ(U)，U分别是渗透率、孔隙率、黏性系数和采样温度。

本发明的目的是提供一种由透气性多孔材料制成，且能使能量利用效率提高的发汗电极控制装置及控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种发汗电极控制装置，包括：前电极、后电极、绝缘体、旋气室、强磁场线圈、温度传感器、烧蚀传感器、压力传感器、试验段、进空气口、出空气口和外壳，后电极和前电极之间用绝缘体加以绝缘，前后两电极用透气性多孔材料制成；在前后电极上埋设了温度传感器和烧蚀传感器，前后电极与外壳之间的空腔中设置了压力传感器；并且把压力传感器固定在外壳上，进空气口和出空气口设置在绝缘体的中部，以增加电离气体的旋转混合，前电极通过罗纹与外壳的前段相连接，后电极通过罗纹与外壳的后段相连接，旋气室是绝缘体的内腔，也是等离子气体旋转混合的空间，试验段设置在前电极的下端，是等离子气体的喷出处和放置试验件的空间。

一种发汗电极控制装置的控制方法，该方法包括下述步骤：

(1)温度传感器和烧蚀传感器的采样信号经变送，转达给计算机。并在前电极的发汗剂空腔中安装压力传感器，它作为控制参数反馈给计算机，当上述两种参数经计算机控制软件运算后，如果发汗电极表面处于烧蚀状态，计算机会发出提高压力参数的指令；此时控制机构随即打开阀门；打开阀门组合数的大小由控制机构的阀门组合与压力关系的试验曲线确定(此曲线随孔隙率的不同而变化)；于是电极表面的烧蚀得到控制；

(2)上述传感器可以提供采样温度T₁和控制参数P₁(或P₂)的值。首先确定目标温度T₀之值，并且初始控制参数选较大值，即全部打开阀门以使在快速加热条件下试件处于安全状态。对压力和温度采样，当采样温度T₁小于目标温度T₀时，须降低控制参数P₁的值，计算机指挥关闭阀门；但阀门关闭到什么程度，须控制软件运算结果确定。当采样温度T₁大于目标温度T₀时，须提高控制参数P₁的值，计算机指挥打开阀门。

上述的压力P和温度T为耦合求解状态。发汗剂流动过程中，刚刚到达透气性多孔材料处的发汗剂压力P₁用级数函数形式逼近。通过气路阀门的开关使控制参数压力P₁用级数函数形式逼近。通过气路阀门的开关使控制参数压力P₁处于可调整状态；使压力P与控制参数P₁在内边界处连接；在外边界处的温度T_i为采样温度，也称反馈控制参数。目标温度为电极的烧蚀温度T₀；当采样温度大于烧蚀温度时，计算机指示提高控制参数压力P₁的值，即打开阀门；当采样温度小于烧蚀温度时，计算机指示降低控制参数压力P₁的值，即关小阀门。另一特点是从不烧蚀的单方向逼近目标温度：即当给定控制参数P₁时，进行压力P和温度T的耦合求解得到的表面温度T_W一旦大于T₀时就要特别小心，此时应加大控制参数P₁的值；加大的幅度为(此时压力P₁+(前刻压力P₁-此刻压力P₁)×0.618)，再进行压力P和温度T的耦合求解；如果得到的表面温度T_W仍大于T₀时，重复上述过程；这个过程最后一旦出现T_W小于T₀，控制系统将逼近平衡态，整个系统处于闭合回路控制。所述的控制机构的核心部分为阀门与孔板的组合类型，即在每个控制分路上为一个阀门对应一个孔板，一般在控制回路中分为八个分路，从1-8分路上的孔板面积为二进制组合，即依次为2⁰，2¹，2²，2³，2⁴，2⁵，2⁶，2⁷；它能使控制参数接近连续变化。

与现有技术相比较，本发明具有下列优点：

①在飞行条件下的焓值3000大卡的驻点发汗防烧蚀试验研究；证实了发汗可以使高速飞行器驻点不出现烧蚀；

②不锈钢透气电极在电流100A、电压300V条件下的氮气发汗电极模型防烧蚀试验研究；证实在上述条件下氮气发汗可以防止放电电极的烧蚀；

③不锈钢和铜质透气电极在电流5000A，电压5500V条件下的氮气发汗电极模型防烧蚀试验研究；在如此恶劣的放电环境下气发汗可以使放电电极不出现烧蚀或少烧蚀。以上三项试验研究均证实了发汗能有效控制电极烧蚀。

下面结合附图详细描述本发明的特征和优点。

图1是发汗电极控制装置的发汗电极闭合回路控制示意图；

图2是图1所示的闭合回路发汗冷却控制原理框图。

图1为发汗电极控制装置的闭合回路控制示意图。后电极5和前电极6之间用绝缘体9加以绝缘。前后两电极用透气性多孔材料制成；发汗剂1和发汗剂2进入后电极5的空腔后可以测得空腔压力P₁；发汗剂3和发汗剂4进入前电极空腔后可测得空腔压力P₂；P₁和P₂为计算机的两路控制参数；当压力P₁和压力P₂大于试验段13处的压力P₀时，发汗剂1、2和发汗剂3、4就渗流通过后电极5和前电极6而流向试验段。当前电极6和后电极5接通电源后，就在前后两电极之间产生放电，放电造成对空气7和空气8的流入主气流空气产生电离形成高温气体。同时放电电弧和高温离解气体能造成前后两电极的严重烧蚀。然而，前后两电极通过渗流的发汗剂使电极的烧蚀能够得到有效控制。同时，主气流空气7和空气8是在圆周的切向流入，使高温离解气体和冷气体在旋气室得到充分混合；又在前电极部位外增加强磁场线圈，使带电的高温电离空气再次旋转混合，保证均匀的高温气体流向试件，增加试件模拟飞行的真实性。

在前电极的放电加热的表面处(内园表面)从前至后顺序埋设一排温度传感器和烧蚀传感器(烧蚀传感器为监测之用)。它们的采样信号经变送，转达给计算机。并在前电极的发汗剂空腔中安装压力传感器，它作为控制参数反馈给计算机。当上述两种参数经计算机控制软件运算后，如果发汗电极表面处于烧蚀状态，计算机会发出提高压力参数的指令；此时控制机构随即打开阀门；打开阀门组合数的大小由控制机构的阀门组合与压力关系的试验曲线确定(此曲线随孔隙率的不同而变化)；于是电极表面的烧蚀得到控制。这是前电极的一路闭合回路控制。另一路是后电极。同样在后电极的放电表面埋设一系列温度传感器和烧蚀传感器(烧蚀传感器为监测之用)；在空腔处放置压力传感器；使后电极也能实现烧蚀控制。

图2是前电极和后电极两路闭合回路控制中的其中一路原理图。其中，标号21为温度和烧蚀传感器，22为压力传感器，23为液氮。电极上埋设了温度传感器和烧蚀传感器，电极与外壳之间的空腔中放置了压力传感器。这些传感器可以提供采样温度T_I和控制参数P₁(或P₂)的值。首先确定目标温度T₀之值，并且初始控制参数选较大值，即全部打开阀门以使在快速加热条件下试件处于安全状态。对压力和温度采样，当采样温度T_I小于目标温度T₀时，须降低控制参数P₁的值，计算机指挥关闭阀门；但阀门关闭到什么程度，须控制软件运算结果确定。当采样温度T_I一旦大于目标温度T₀时，须提高控制参数P₁的值，计算机指挥打开阀门；但阀门打开到什么程度，仍须控制软件运算结果确定。依此反复，实现闭合回路控制。

Claims (4)

1、一种发汗电极控制装置，包括前电极、后电极、绝缘体、旋气室、强磁场线圈、温度传感器、烧蚀传感器、压力传感器、试验段、进空气口、出空气口和外壳，其特征在于，后电极和前电极之间用绝缘体加以绝缘，前后两电极用透气性多孔材料制成；在前后电极上埋设了温度传感器和烧蚀传感器，前后电极与外壳之间的空腔中设置了压力传感器；并且把压力传感器固定在外壳上，进空气口和出空气口设置在绝缘体的中部，以增加电离气体的旋转混合，前电极通过罗纹与外壳的前段相连接，后电极通过罗纹与外壳的后段相连接，旋气室是绝缘体的内腔，也是等离子气体旋转混合的空间，试验段设置在前电极的下端，是等离子气体的喷出处和放置试验件的空间。

2、一种发汗电极控制装置的控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)温度传感器和烧蚀传感器的采样信号经变送，转达给计算机；并在前电极的发汗剂空腔中安装压力传感器，它作为控制参数反馈给计算机，当上述两种参数经计算机控制运算后，如果发汗电极表面处于烧蚀状态，计算机发出提高压力参数的指令；此时控制机构随即打开阀门；打开阀门组合数的大小由控制机构的阀门组合与压力关系的试验曲线确定；于是电极表面的烧蚀得到控制；

(2)上述传感器可以提供采样温度T₁和控制参数P₁(或P₂)的值，首先确定目标温度T₀之值，并且初始控制参数选较大值，即全部打开阀门以使在快速加热条件下试件处于安全状态，对压力和温度采样，当采样温度T₁小于目标温度T₀时，须降低控制参数P₁的值，计算机指挥关闭阀门；当采样温度T₁大于目标温度T₀时，须提高控制参数P₁的值，计算机指挥打开阀门。

3、根据权利要求2所述的发汗电极控制装置的控制方法，其特征在于，压力P和温度T为耦合求解状态，发汗剂流动过程中，刚刚到达透气性多孔材料处的发汗剂压力P₁用级数函数形式逼近，通过气路阀门的开关使控制参数压力P₁处于可调整状态，使压力P与控制参数P₁在内边界处连接；在外边界处的温度T₁为采样温度，也称反馈控制参数，目标温度为电极的烧蚀温度T₀；当采样温度大于烧蚀温度时，计算机指示提高控制参数压力P₁的值，即打开阀门；当采样温度小于烧蚀温度时，计算机指示降低控制参数压力P₁的值，即关小阀门；另一特征是从不烧蚀的单方向逼近目标温度：即当给定控制参数P₁时，进行压力P和温度T的耦合求解得到的表面温度T_W一旦大于T₀时应加大控制参数P₁的值；加大的幅度为(此时压力P₁+前刻压力P₁-此刻压力P₁)×0.618，再进行压力P和温度T的耦合求解；如果得到的表面温度T_W仍大于T₀时，重复上述过程；这个过程最后一旦出现T_W小于T₀，控制系统将逼近平衡态，整个系统处于闭合回路控制。

4、根据权利要求2所述的发汗电极的控制装置的控制方法，其特征在于，还包括所述的控制机构的阀门与孔板的组合方法，即在每个控制分路上为一个阀门对应一个孔板，在控制回路中分为八个分路，从1-8分路上的孔板面积为二进制组合，即依次为2⁰，2¹，2²，2³，2⁴，2⁵，2⁶，2⁷；它能使控制参数接近连续变化。

Images