CN113947036A - 电弧加热气动热试验参数精确计算方法 - Google Patents

Abstract

一种电弧加热气动热试验参数精确计算方法，该方法基于对电弧加热地面模拟试验需模拟的总焓和热流，结合对地面试验气流热物性参数的迭代分析，提供了一种快速、有效的电弧加热试验状态计算方法，可以在数秒内实现对气动热参数(总焓和热流)和电弧加热设备运行参数(质量流量)之间的准确换算，从而提升电弧加热气动热地面试验的评估准确度，并提高型号气动热地面试验的效率。

Description

电弧加热气动热试验参数精确计算方法

技术领域

本发明涉及电弧加热器地面试验，尤其涉及电弧加热气动热试验参数精确计算，属于飞行器地面气动热试验研究领域。

背景技术

电弧加热气动热试验是利用电弧加热设备击穿空气介质，建立电弧通道，对进入的空气介质进行加热，并经喷管加速扩张后，获得飞行器再入的气动热环境，主要模拟的气动热参数一般为总焓和热流。开展电弧加热气动热试验的第一步，首先是评估飞行器再入时防热材料表面的气动热参数，将其转化为电弧加热设备本身运行所需的参数，其中一个关键参数是电弧加热设备所需的质量流量。目前主流的计算方法包括传统工程算法和CFD数值算法：传统工程算法依据简单假设，直接套用常温空气的热物性参数，并进行查表计算，计算效率低下，同时由于高温下空气热物性参数与常温状态的较大差异，该方法获得电弧加热设备运行质量流量参数不准确，依据该计算参数指导电弧加热设备实际调试获得的气动热参数(总焓、热流)往往与目标值相差甚远，大大加大了后续调试的难度；CFD数值算法是通过CFD数值计算对电弧加热设备从喷管入口到出口流场进行网格划分，利用计算机进行流场计算，可以获得电弧加热试验气流流场的一维/二维/三维分布，能较准确的进行气动热参数与设备运行参数之间的换算，但该方法所需的计算时间往往在数小时到数天不等，无法快速、有效的对电弧加热试验状态进行评估，不利于试验前期准备和评估。有必要开展研究，进行电弧加热气动热试验状态快速、准确的计算，实现工程型号气动热试验的高效开展。

发明内容

本发明的目的在于发展了一种电弧加热气动热试验参数精确计算方法，该方法基于对电弧加热地面模拟试验需模拟的总焓和热流，结合对地面试验气流热物性参数的迭代分析，提供了一种快速、有效的电弧加热试验状态计算方法，可以在数秒内实现对气动热参数(总焓和热流)和电弧加热设备运行参数(质量流量)之间的准确换算，从而提升电弧加热气动热地面试验的评估准确度，并提高型号气动热地面试验的效率。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：电弧加热气动热试验参数精确计算方法，包括以下步骤：

(1)输入电弧加热试验需模拟的气动热参数：总焓H₀，热流q，并选定喷管，确定喷管的喉道-出口面积比A/A*；

(2)假定一个初始的总压值P₀，初始的比热比γ₀；

(3)根据总压值P₀，结合总焓H₀，并依据热化学平衡计算，获得总温T₀；根据比热比γ₀，结合上述选定的喷管喉道-出口面积比A/A*，可以计算得到喷管出口的马赫数Ma；

(4)依据上述获得的马赫数Ma，给定比热比γ₀,获得喷管的静温总温比T_i/T₀、静压总压比P_i/P₀，结合上述获得总温T₀和初始总压P₀，获得喷管出口的静温T_i和静压P_i；

(5)平衡流或冻结流假设下，喷管出口气流的比热比γ，普朗特数Pr，粘性系数μ均是当地气流静温和静压的函数γ(P,T)、Pr(T,P)、μ(T,P)，依据上述获得的静温T_i和静压P_i，即可获得比热比γ_i，普朗特数Pr_i，粘性系数μ_i的值；

(6)依据上述获得的比热比γ_i，普朗特数Pri，粘性系数μ_i值，计算得到喷管出口的速度V_i,静焓H_静焓i、恢复焓H_恢复焓i和参考焓H_参考焓i；

(7)依据上述获得的所有参数，初步计算获得电弧加热试验模拟总焓H₀，热流q所需的质量流量m_i，同时获得电弧加热器试验的总压P_{0_i}；

(8)判断计算的总压P_{0_i}和比热比γ_i是否收敛，若收敛，则中止计算，此时的质量流量m_i即为进行电弧加热试验所需的流量值m：m_i＝m；否则，将获得总压P_{0_i}和比热比γ_i代替上述步骤(2)给定的初始总压P₀和初始的比热比γ₀，重新从步骤(3)开始计算，直至迭代计算后的总压P_{0_i}和比热比γ_i收敛。

优选的，初始总压P₀的取值范围0.001MPa-20 MPa；初始比热比γ₀的取值范围1.1-1.4。

本发明方法覆盖飞行器防热地面考核试验驻点、平板、翼前缘三种主要类型试验的参数计算。

优选的，初始比热比γ₀的取值满足：

H₀≤9000kJ/kg:

γ₀＝1.41-5.36e-5×H₀-1.05e-8×H₀ ²+3.13e-12×H₀ ³-1.71e-16×H₀ ⁴

H₀＞9000kJ/kg:

γ₀＝2.52-3.03e-4×H₀+2.62e-8×H₀ ²-1.12e-12×H₀ ³+2.38e-17×H₀ ⁴-1.99e-22×H₀ ⁵

优选的，将步骤(1)-(8)基于excel、matlab或C软件开发处理成模块化单元，所述模块化单元的输入为步骤(1)中的三个参数，输入完成后即可在数秒内自动完成气动热试验参数的计算。

本发明方法适用于现有飞行器防热材料电弧加热地面试验电弧加热器运行参数的计算，将飞行器再入的气动热参数转化为电弧加热设备的运行参数。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明基于电弧加热设备地面试验的精确计算，结合对地面试验气流热物性参数的迭代分析，提供了一种快速、有效的电弧加热试验状态计算方法，可以在数秒内实现对气动热参数(总焓和热流)和电弧加热设备运行参数(质量流量)之间的准确换算。

(2)、本发明的电弧加热气动热试验参数精确计算方法已经进行工程封装，实际计算时只需输入所需模拟的气动热参数(总焓和热流)，即可瞬间获得电弧加热试验设备所需的质量流量参数。

(3)、本发明的电弧加热气动热试验参数精确计算方法，相比于传统估算方法，可以大大提升对电弧加热运行流量的计算准确度，从而提高现有电弧加热地面试验的评估能力。

(4)、本发明的电弧加热气动热试验参数精确计算方法，是一种快速、有效的电弧加热试验工程计算方法，相比于CFD数值计算所需要的数小时-数天时间模拟评估，本发明的方法可以在保证准确计算的前提，实现数秒内结果输出，大大提高试验状态评估效率。

(5)本发明计算方法基于excel、matlab或C软件开发环境，只需输入步骤(1)中的三个参数，即可在数秒内自动完成气动热试验参数的快速、准确计算。

(6)电弧加热气动热试验参数精确计算方法可以对现有飞行器防热材料电弧加热地面试验电弧加热器运行参数的快速、精确计算，快速将飞行器再入的气动热参数转化为电弧加热设备的运行参数，最大化提高电弧加热气动热试验状态的评估效率。

附图说明

图1为本发明电弧加热气动热试验参数精确计算方法的示意图。

图2-图4分别为本发明电弧加热气动热试验参数精确计算方法中γ(P,T)、Pr(T,P)、μ(T,P)的变化趋势。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

电弧加热气动热试验参数精确计算方法，包括以下步骤：

(1)、输入电弧加热试验需模拟的气动热参数：总焓H₀，热流q，并选定喷管，确定喷管的喉道-出口面积比A/A*；

(2)、假定一个初始的总压值P₀，初始的比热比γ₀；

初始总压P0的取值范围0.001MPa-20 MPa；初始比热比γ₀的取值范围1.1-1.4。

(3)根据总压值P₀，结合总焓H₀，并依据热化学平衡计算，获得总温T₀；根据比热比γ₀，结合上述选定的喷管喉道-出口面积比A/A*，可以计算得到喷管出口的马赫数Ma；

(4)、依据上述获得的马赫数Ma，给定比热比γ₀,可以获得喷管的静温总温比T/T₀、静压总压比P/P₀，结合上述获得总温T₀，获得喷管出口的静温T和静压P；

(5)、平衡流或冻结流假设下，喷管出口气流的比热比γ，普朗特数Pr，粘性系数μ均是当地气流静温和静压的函数γ(P,T)、Pr(T,P)、μ(T,P)，依据上述获得的静温T和静压P，可以获得比热比γ_i，普朗特数Pr_i，粘性系数μ_i的值。

图2-图4分别为本发明电弧加热气动热试验参数精确计算方法中γ(P,T)、Pr(T,P)、μ(T,P)的变化趋势。

(6)、依据上述获得的比热比γ_i，普朗特数Pri，粘性系数μ_i值，可以进一步计算得到喷管出口的速度V_i,静焓H_静焓i、恢复焓H_恢复焓i和参考焓H_参考焓i；

V_i＝Ma(γ_iRT)^0.5

H_静焓i＝f(T,P)

层流状态时n＝1/2，湍流状态时n＝1/3；

(7)依据上述获得的所有参数，可以初步计算获得电弧加热试验模拟上述气动热参数(总焓H0，热流q)所需的质量流量m_i，同时获得电弧加热器试验的总压P_{0_i}；

电弧加热平板自由射流试验的质量流量确定方法如下：

L为喷管喉道到喷管出口的距离；

总压的确定方法如下：

(8)判断计算的总压P_{0_i}和比热比γ_i是否收敛，若收敛，则中止计算，此时获得质量流量m_i即为进行电弧加热试验所需的流量值；否则，将获得总压P_{0_i}和比热比γ_i代替上述给定的初始总压P₀和初始的比热比γ₀，重新从步骤(3)开始计算，直至迭代计算后的总压P_{0_i}和比热比γ_i收敛。

上述步骤1的参数由人手动输入，其他所有步骤由后台程序自动迭代运行，可实现在数秒内完成电弧加热气动热试验参数快速计算。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.电弧加热气动热试验参数精确计算方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)输入电弧加热试验需模拟的气动热参数：总焓H₀，热流q，并选定喷管，确定喷管的喉道-出口面积比A/A*；

(2)假定一个初始的总压值P₀，初始的比热比γ₀；

(3)根据总压值P₀，结合总焓H₀，并依据热化学平衡计算，获得总温T₀；根据比热比γ₀，结合上述选定的喷管喉道-出口面积比A/A*，可以计算得到喷管出口的马赫数Ma；

(4)依据上述获得的马赫数Ma，给定比热比γ₀,获得喷管的静温总温比T_i/T₀、静压总压比P_i/P₀，结合上述获得总温T₀和初始总压P₀，获得喷管出口的静温T_i和静压P_i；

(5)平衡流或冻结流假设下，喷管出口气流的比热比γ，普朗特数Pr，粘性系数μ均是当地气流静温和静压的函数γ(P,T)、Pr(T,P)、μ(T,P)，依据上述获得的静温T_i和静压P_i，即可获得比热比γ_i，普朗特数Pr_i，粘性系数μ_i的值；

(6)依据上述获得的比热比γ_i，普朗特数Pr_i，粘性系数μ_i值，计算得到喷管出口的速度V_i,静焓H_静焓i、恢复焓H_恢复焓i和参考焓H_参考焓i；

(7)依据上述获得的所有参数，初步计算获得电弧加热试验模拟总焓H₀，热流q所需的质量流量m_i，同时获得电弧加热器试验的总压P_{0_i}；

(8)判断计算的总压P_{0_i}和比热比γ_i是否收敛，若收敛，则中止计算，此时的质量流量m_i即为进行电弧加热试验所需的流量值m：m_i＝m；否则，将获得总压P_{0_i}和比热比γ_i代替上述步骤(2)给定的初始总压P₀和初始的比热比γ₀，重新从步骤(3)开始计算，直至迭代计算后的总压P_{0_i}和比热比γ_i收敛。

2.根据权利要求1所述的电弧加热气动热试验参数精确计算方法，其特征在于：初始总压P₀的取值范围0.001MPa-20MPa；初始比热比γ₀的取值范围1.1-1.4。

3.根据权利要求1所述的电弧加热气动热试验参数精确计算方法，其特征在于：适用于飞行器防热地面考核试验驻点、平板、翼前缘三种主要类型试验的参数计算。

4.根据权利要求1或2所述的电弧加热气动热试验参数精确计算方法，其特征在于：初始比热比γ₀的取值满足：

H₀≤9000kJ/kg:

γ₀＝1.41-5.36e-5×H₀-1.05e-8×H₀ ²+3.13e-12×H₀ ³-1.71e-16×H₀ ⁴

H₀＞9000kJ/kg:

γ₀＝2.52-3.03e-4×H₀+2.62e-8×H₀ ²-1.12e-12×H₀ ³+2.38e-17×H₀ ⁴-1.99e-22×H₀ ⁵。

5.根据权利要求1所述的电弧加热气动热试验参数精确计算方法，其特征在于：将步骤(1)-(8)基于excel、matlab或C软件开发处理成模块化单元，所述模块化单元的输入为步骤(1)中的三个参数，输入完成后即可在数秒内自动完成气动热试验参数的计算。

6.根据权利要求1所述的电弧加热气动热试验参数精确计算方法，其特征在于：适用于现有飞行器防热材料电弧加热地面试验电弧加热器运行参数的计算，将飞行器再入的气动热参数转化为电弧加热设备的运行参数。

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