CN112730501A - 一种瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于热试验技术领域，特别涉及一种瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法，包括对石英灯辐射加热系统的初始方案构建加热系统的瞬态热辐射模型；之后进行瞬态热辐射计算，获取试验件最高温度以及温度场均匀性误差的最大值；若最高温度超过温度载荷谱的最高温度的5％，且温度场均匀性误差的最大值在设定阀值内，则将该石英玻璃灯管的布局方案作为备选方案，否则调整石英玻璃灯管的布局；从备选方案中选取与温度载荷谱最相近的方案作为最终方案进行瞬态热考核试验。本申请能够获得瞬态热考核试验中满足温度场均匀性误差的加热系统，保证热考核试验结果的有效性。

Description

一种瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法

技术领域

本申请属于热试验技术领域，特别涉及一种瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，飞行器的飞行速度不断提高，而飞行器在高速飞行中会受到气动加热作用，导致飞行器表面温度升高，降低飞行器的结构强度性能。因此，为了验证在飞行过程中瞬态热载荷的作用下飞行器材料及结构强度性能、隔热性能等，需开展瞬态热考核试验。

热考核试验中通常采用石英灯辐射加热系统作为加热试验设备。以往的热考核试验中，通常采取稳态热考核试验代替瞬态热考核试验进行验证，即将试验件温度加载到最高温度后，进入保温阶段，仅在保温期间观察试验件的热性能。并且在试验加温过程中，仅关注温度控制点的温度是否达到目标温度，未关注受热面的温度场分布，导致温度控制点达到最高温度时，试验件的其它加热区域可能与控制点温度相差较大，影响试验效果。

此外，有的热考核试验虽然是瞬态试验，并且也提出试验加载过程中温度场均匀性的要求，然而却缺少一个有效可靠的瞬态热考核试验的设计方法，仅能在调试试验中对石英灯管的设计参数不断调整，来降低温度场均匀性误差的要求，而调试试验通常也是热稳态试验，并不能反映真实瞬态热试验情况，事实上稳态试验中最高温度时的温度场均匀性误差满足要求，并不能说明瞬态试验中一定也能满足要求，因为温度场均匀性误差是与温升率等参数相关的，温度场均匀性的最大误差值可能发生在最高温度时，也可能发生在最大温升率时，因此以往的稳态调试试验确定的试验方案也难以完全保证整个瞬态加温过程中温度场均匀性误差都满足要求。并且，有些试验甚至可能无法开展调试试验，则更加需要一种可靠的温度场均匀性的设计方法。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法，实现对座舱盖温度载荷谱的精确控制，本申请瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法主要包括：

步骤S1、确定温度载荷谱中最高温度，加温时间以及最大温升率，确定对试验件受热面进行加热的石英玻璃灯管的灯管数量及长度，其中，所述石英玻璃灯管构成的加热面要大于待考核区域；

步骤S2、根据灯管数量和温升率，确定灯管功率；

步骤S3、确定石英灯辐射加热系统的保证灯管电极之间不存在干涉现象的初始方案；

步骤S4、构建加热系统的瞬态热辐射模型；

步骤S5、根据所述瞬态热辐射模型进行瞬态热辐射计算，获取试验件最高温度以及温度场均匀性误差的最大值，所述温度场均匀性误差是指同一时刻下温度场内的最高温度与最低温度的差值；

步骤S6、若所述最高温度超过温度载荷谱的最高温度的5％，且所述温度场均匀性误差的最大值在设定阀值内，则将该石英玻璃灯管的布局方案作为备选方案，否则调整石英玻璃灯管的布局；

步骤S7、从所述备选方案中选取与温度载荷谱最相近的方案作为最终方案，进行瞬态热考核试验。

优选的是，步骤S1中，所述石英玻璃灯管的圆心距不低于40mm。

优选的是，步骤S2中，若计算的灯管的总功率大于电力系统的实际供电功率，则增大步骤S1中的灯管的圆心距，减少灯管数量，直至步骤S2中的电力系统的实际供电功率满足加热需求。

优选的是，步骤S4中，所述热辐射模型中，将灯管和灯管内部钨丝简化为圆柱体，采用灯管输入功率作为灯管内部钨丝的热流边界条件，热流边界设定为与时间相关的常数，并根据加温时间设定瞬态热辐射计算时间和时间步长。

优选的是，步骤S6中，所述调整石英玻璃灯管的布局包括调整灯管数量、灯管功率、灯管圆心距以及灯管距离试验件高度。

优选的是，步骤S7中，进行瞬态热考核试验进一步包括：

获取最终方案的最高温度发生位置，在该位置安装温度传感器，作为瞬态热考核试验中的温度控制点，并开展试验。

本发明通过创建热辐射分析模型，开展加热系统的热辐射分析，以试验中最高温度和温度场均匀性误差为目标，在考虑约束参数的情况下，通过调整加热系统的灯管功率、灯管数量、灯管长度、灯管疏密度以及灯管圆心距与试验件的高度等设计参数，获得瞬态热考核试验中满足温度场均匀性误差的加热系统，保证热考核试验结果的有效性。

附图说明

图1是本申请瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

如图1所示，本申请的瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法，主要包括：

步骤S1、确定温度载荷谱中最高温度，加温时间以及最大温升率，确定对试验件受热面进行加热的石英玻璃灯管的灯管数量及长度，其中，所述石英玻璃灯管构成的加热面要大于待考核区域；

步骤S2、根据灯管数量和温升率，确定灯管功率；

步骤S3、确定石英灯辐射加热系统的保证灯管电极之间不存在干涉现象的初始方案；

步骤S4、构建加热系统的瞬态热辐射模型；

步骤S5、根据所述瞬态热辐射模型进行瞬态热辐射计算，获取试验件最高温度以及温度场均匀性误差的最大值，所述温度场均匀性误差是指同一时刻下温度场内的最高温度与最低温度的差值；

步骤S6、若所述最高温度超过温度载荷谱的最高温度的5％，且所述温度场均匀性误差的最大值在设定阀值内，则将该石英玻璃灯管的布局方案作为备选方案，否则调整石英玻璃灯管的布局；

步骤S7、从所述备选方案中选取与温度载荷谱最相近的方案作为最终方案，进行瞬态热考核试验。

以下进行详细说明。

在步骤S1中，首先对试验温度载荷谱进行分析，确定温度载荷谱中最高温度，加温时间以及最大温升率；为保证加热试验过程中，石英玻璃灯管不因为距离太近而高温软化或破坏，应保证灯管圆心距至少为40mm，再依据试验件的受热面尺寸，给出灯管的初步数量和长度，为了保证试验件的边界区域温度与试验件内部区域温度差异较小，应保证该数量下的灯管阵列覆盖区域包含试验件边界外部的一定范围区域。

在步骤S2中，开展灯管功率估算，忽略瞬态热辐射过程中灯管自身吸热、试验件的热传导和热对流以及试验件向外的热辐射，有如下公式：

C·A·h·ρ·△T＝△t·n·P·η

其中，C为试验件的比热容；A为试验件的受热面面积；h为试验件的受热区域厚度；ρ为试验件的密度；△t为加热时间；△T为△t时间内的温度变化量；P为灯管额定功率；n为灯管数量；η为灯管辐射热效率，该参数受加热系统与试验件的位置关系、灯管自身辐射率、试验件吸收率等参数的影响。

依据上述公式以及步骤S1中初步确定的灯管数量和温升率，确定灯管功率，计算加热系统总功率np，如果总功率超过电力系统的实际能力，则需对步骤S1中的灯管圆心距增大，减小灯管数量。

在步骤S3中，依据步骤S1和步骤S2确定灯管数量、灯管长度、灯管功率后，再确定加热系统与试验件的距离、角度等设计参数，获得加热系统的初步方案。方案中需要注意，灯管电极之间不能出现干涉，应在灯管头部之间预留一定的间隙，如电极的长度为20mm，对于灯管顶排布置的情况，则应预留40mm距离，对灯管叉排布置的情况，则应预留20mm距离，叉排的方式可以较少灯管头部盲区的影响，但是温度场误差分布控制不如顶排布置的效果好。灯管与试验件的距离不能太近，当温度载荷谱中的最高温度超过600℃时，应至少有50mm的距离。这么做一方面是因为太近的距离会导致试验安装过程以及传感器的布置不方便；另一方面是防止距离太近，灯管石英玻璃外壁发生高温软化或破坏后，钨丝裸露在外面可能会与试验件搭接，发生漏电事故。

在步骤S4中，对加热系统的方案进行模型简化，灯管和灯管内部钨丝简化为圆柱体，不考虑灯管电极。对计算模型创建结构化网格后，基于离散坐标法创建瞬态热辐射模型，考虑灯管的半透明壁面对热辐射波的折射和透射影响，若灯管内表面存在反射层，则还需考虑灯管反射层的影响。采用灯管输入功率作为灯管内部钨丝的热流边界条件，热流边界可以为时间常数，也可以为与时间相关的函数，在初步方案分析中，采用额定功率作为热流恒定输入。考虑试验件、灯管与外部的热辐射热交换作用。根据步骤1中确定的加温时间，设定瞬态热辐射计算时间和时间步长。

在步骤S5及步骤S6中，首先基于步骤S4创建的加热系统方案的热辐射模型，开展瞬态热辐射计算分析，提取最后时刻的试验件受热面最高温度、各个时刻下的最高温度值以及灯管功率值、瞬态加热过程中温度场均匀性误差的最大值以及受热面中最高温度发生的位置，其中温度场均匀性误差为受热面最高温度与最低温度之差，在加温过程中温度场均匀性误差不一定发生在最后时刻，可能会出现在加温过程中的某个时刻，因此需计算所有时刻下的温度场均匀性误差值，并比较后得到最大值。

该步骤中，计算得到的最后时刻受热面最高温度与温度载荷谱最高温度之差，若受热面最高温度高于目标最高温度，且相对误差超过5％，则认为当前加热系统的加热方案具备极限温度的加热能力。否则，说明该加热方案不具备满足试验要求的加热能力，需对加热方案进行调整，调整参数主要为灯管数量、灯管功率、灯管圆心距以及灯管距离试验件高度等，约束参数主要为电力系统的实际能力、灯管圆心距安全距离、灯管距离试验件高度的安全距离、灯管的实际设计能力以及控制系统最大的控制分区数等。

比较该计算步骤中得到的温度场均匀性最大误差与目标温度场均匀性误差，确认其是否满足要求。如果满足要求且上述最高温度也满足试验最高温度要求，则将该方案作为备选加热方案，进行步骤S7。否则需对加热方案进行调整，调整参数主要为灯管数量、灯管功率、灯管圆心距以及灯管距离试验件高度等，约束参数主要为电力系统的实际能力、灯管圆心距安全距离、灯管距离试验件高度的安全距离、灯管的实际设计能力以及控制系统最大的控制分区数等。

在步骤S7中，当上述两个条件都满足要求后，开始比较步骤S5中进行瞬态热辐射计算得到的最高温度随时间变化曲线与温度载荷谱曲线，确认两者是否一致。如果一致，则说明此时的加温分析过程与试验加温情况基本一致，则此时的温度场均匀性误差是有效满足要求的。则该加热方案可以作为最终加热方案，如果不一致，则说明此时的温度场均匀性误差是无效满足要求的，需根据步骤S5中获得的各个时刻灯管功率与对应时刻最高温度计算结果建立两者之间的映射曲线，再以温度载荷谱作为映射曲线的输入，获得要满足温度载荷谱所需的各个时刻灯管功率值，并将灯管功率作为功率输入重新回到步骤S4～步骤S6中，直到获得满足试验要求的加热方案。

最后，将步骤S5中进行瞬态热辐射计算获得的最终加热方案的最高温度发生位置，并进行记录，在其位置安装温度传感器，作为瞬态热考核试验中的温度控制点，并开展试验。

本发明通过创建热辐射分析模型，开展加热系统的热辐射分析，以试验中最高温度和温度场均匀性误差为目标，在考虑约束参数的情况下，通过调整加热系统的灯管功率、灯管数量、灯管长度、灯管疏密度以及灯管圆心距与试验件的高度等设计参数，获得瞬态热考核试验中满足温度场均匀性误差的加热系统，保证热考核试验结果的有效性。

本发明所产生的温度场均匀性设计方法可应用于瞬态和稳态热考核试验、结构热试验、热力耦合强度试验等，为试验的热载荷加载提供可靠的试验条件和设计思路，并对热考核试验的热载荷非均匀分布设计方法有参考意义。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法，其特征在于，包括：

步骤S1、确定温度载荷谱中最高温度，加温时间以及最大温升率，确定对试验件受热面进行加热的石英玻璃灯管的灯管数量及长度，其中，所述石英玻璃灯管构成的加热面要大于待考核区域；

步骤S2、根据灯管数量和温升率，确定灯管功率；

步骤S3、确定石英灯辐射加热系统的保证灯管电极之间不存在干涉现象的初始方案；

步骤S4、构建加热系统的瞬态热辐射模型；

步骤S5、根据所述瞬态热辐射模型进行瞬态热辐射计算，获取试验件最高温度以及温度场均匀性误差的最大值，所述温度场均匀性误差是指同一时刻下温度场内的最高温度与最低温度的差值；

步骤S6、若所述最高温度超过温度载荷谱的最高温度的5％，且所述温度场均匀性误差的最大值在设定阀值内，则将该石英玻璃灯管的布局方案作为备选方案，否则调整石英玻璃灯管的布局；

步骤S7、从所述备选方案中选取与温度载荷谱最相近的方案作为最终方案，进行瞬态热考核试验。

2.如权利要求1所述的瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法，其特征在于，步骤S1中，所述石英玻璃灯管的圆心距不低于40mm。

3.如权利要求1所述的瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法，其特征在于，步骤S2中，若计算的灯管的总功率大于电力系统的实际供电功率，则增大步骤S1中的灯管的圆心距，减少灯管数量，直至步骤S2中的电力系统的实际供电功率满足加热需求。

4.如权利要求1所述的瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法，其特征在于，步骤S4中，所述热辐射模型中，将灯管和灯管内部钨丝简化为圆柱体，采用灯管输入功率作为灯管内部钨丝的热流边界条件，热流边界设定为与时间相关的常数，并根据加温时间设定瞬态热辐射计算时间和时间步长。

5.如权利要求1所述的瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法，其特征在于，步骤S6中，所述调整石英玻璃灯管的布局包括调整灯管数量、灯管功率、灯管圆心距以及灯管距离试验件高度。

6.如权利要求1所述的瞬态热考核试验中温度场均匀性的设计方法，其特征在于，步骤S7中，进行瞬态热考核试验进一步包括：

获取最终方案的最高温度发生位置，在该位置安装温度传感器，作为瞬态热考核试验中的温度控制点，并开展试验。

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