塞块量热计的热流计算与修正方法研究

为减小塞块量热计的热流测量误差,对其热流计算与修正方法开展了研究。根据能量守恒原理和传热理论,建立了隔热套结构塞块量热计的传热模型和计算方法;通过对塞块量热计传热模型的仿真分析,给出了温升率提取方法和计算误差的主要影响因素;提出了直接比对标定修正方法和基于标定的数值计算修正方法。仿真和试验结果表明:两种方法均能较大幅度减小塞块量热计的热流测量误差,使其误差控制在5%以内;直接比对标定修正方法的误差相对更小,但要求热流标定系统能覆盖被测热流范围;基于标定的数值计算修正方法对热流标定系统要求较低,适用范围更广。

塞块式量热计隔热结构的改进与试验分析

为了提高塞块式量热计的热流测量精准度,对其隔热结构进行了改进:将原隔热套改为中空结构,大幅度减小量热基体的不稳定侧向传热;设计了与改进隔热套匹配的封装壳结构,使量热计标定时的隔热特性能够完整保留至测试环境中。经数值计算和优化,确定了量热计各部件的较优尺寸,验证了改进措施的有效性。热流标定对比试验结果表明:改进后的塞块式量热计的测量准度和精度都有较大提高。风洞试验考核结果表明:单个塞块式量热计的重复性精度优于3%;不同塞块式量热计的个体差异小,在对称位置,测量偏差小于3%;与水冷戈登计比较,相同来流条件下测量偏差小于4%。

隔热结构对塞块式量热计热流测量的影响

塞块式量热计是热结构试验中常用的热流传感器,其侧向传热是测量误差的重要来源。在对塞块式量热计传热分析的基础上,设计了一种改进型隔热结构,并提出了一种基于半无限大体假定的热损失修正方法。通过建立塞块式量热计的有限元数值模型,分析了量热塞与隔热材料的接触热阻对数据处理结果的影响,在接触热阻较大时(R=1×10-3 m2·K/W),未修正时最大测量误差不超过-9%,而修正后最大误差超过了20%;在接触热阻较小时(R=1×10-4 m2·K/W),未修正时的最大测量误差约-20%,修正后则不大于1.5%。可见该修正方法只适用于接触热阻较小的情况。。数值模拟结果还表明,在隔热层表面附近增加金属尖楔的改进型结构,隔热材料最高温度从超过2000℃降低到300℃以下,有利于保护隔热材料不被烧损,间楔与传感器之间的换热面积只有总侧向面积的约2.9%,两者之间的换热几乎不影响数据处理方法的选择。

塞块式量热计长时间变工况热流测量

采用塞块式量热计对200 MW燃气流风洞试验件表面热流进行测量,试验过程中塞块式量热计遍历风洞的启动、模型变攻角、停车等阶段。为准确获取不同攻角条件下模型表面热流值,采用数值仿真对塞块式量热计的传热特性进行分析,研究背温反算的热流值与输入热流边界条件的差异,提出塞块式量热计长时间使用的修正方法,该修正方法通过一次稳态热流源的标定即可获得其他热流边界条件下的结果,从而简化标定过程。将修正方法应用于长时间变工况热流测量修正时,偏差小于2%,增加了塞块式量热计的使用范围,通过一次风洞试验,获取多个稳态工况条件下试验件表面热流值,节约风洞运行成本。此外,该修正方法也可用于高热流瞬时测量结果的修正。