导管内塞式量热计热流测量实验及数值模拟研究

许 考, 陈连忠

(中国航天空气动力技术研究院, 北京 100074)

导管内塞式量热计热流测量实验及数值模拟研究

许 考*, 陈连忠

(中国航天空气动力技术研究院, 北京 100074)

对电弧风洞中超声速湍流导管内塞式量热计进行改进，采用测热端与校测件线接触的量热计和测热塞块边缘与校测件有0.4mm缝隙的量热计。与传统的塞式量热计热流测量值进行对比，实验结果表明，在低压、低冷壁热流条件下3个量热计输出特性较接近；而随着压力、冷壁热流的增加，线接触量热计测量值略有降低，而测热端与校测件有缝隙的量热计测量值大幅增加。最后，通过数值研究了缝隙内的流动对热流测量的影响，同时，模拟了其它来流条件不变时来流马赫数对缝隙内流动的影响。

电弧风洞；超声速导管；热流；塞式量热计；缝隙

0 引 言

在进行气动热烧蚀试验时首先要确定来流的热环境条件，即来流总焓和测试件上的冷壁热流。对于冷壁热流的测量通过量热计实现。通常量热计可以分成以下3类[1]: (1)基于能量平衡的原理，通过测量量热计相关温度的变化，计算得出其所获得的净能量，从而计算出测试件的表面热流密度，该类型量热计主要有水卡量热计、薄壁量热计和塞式量热计；(2)利用傅里叶定律，通过测量已知电阻在不同位置处的温度梯度，从而计算出测试件表面热流，例如柱塞式量热计和戈登流量计；(3)基于一维瞬态导热原理，通过测量表面温度的响应实现热流的测量，如薄膜量热计、同轴表面热电偶及非接触式热涂测试方法。

气动热与热防护试验技术可分为自由射流试验技术和包罩试验技术，湍流导管实验技术属于包罩试验技术中的一种。来流总焓较高、冷壁热流较低时用电弧风洞自由射流试验技术；而当要求来流总焓较低、冷壁热流较高的平板实验时一般采用湍流导管试验技术。

基于湍流导管内热环境热点，通常选用塞式量热计测量其内部试验件的冷壁热流。塞式量热计由柱状无氧铜块、热电偶和隔热套组成。将热电偶焊接在无氧铜块的一端，套上隔热套，以确保铜块与模型的绝热和绝缘。将量热计装入热流测量装置中，同时要确保铜块受热端面(热气流冲刷面)与所在平面一致。但由于湍流导管内冷壁热流密度较大(最高达4～5MW/m2)，同时压力也较高，塞式量热计中靠近热流体侧的隔热套很容易被烧坏，从而导致较大的热流测量误差。本文尝试对塞式量热计进行改进，测量端塞块与测试件之间不用绝缘套，而是采用线接触和有0.4mm的间隙的量热计，以延长其在导管内的使用次数。

目前带缝隙的塞式量热计通常应用于驻点烧蚀试验[2-6]，气流对冲冲刷量热计。该结构的不足之处在于：缝隙虽然减少塞块与模型之间的热交换，但同时加剧了热气流对塞块侧面加热；其次较小的缝隙对塞式量热计的安装要求也很高。对于湍流导管中的高超声速流动来说，首先流动方向平行于量热计测热端的壁面，这样极有可能减少缝隙内热气流与塞块的换热。而测热端与校测件线接触的量热计暂时未见报道。

本文中每次实验均更换带绝热套，同时，按照文献[7]对塞块的比热容和导热系数进行修正，并以其测量值作为基准，与线接触和带缝隙的塞式量热计进行对比，找出改进的塞式量热计测量值随压力变化规律，并通过数值分析压力及来流马赫数对热流测量的影响。

1 实验研究

1.1 实验设备

实验是在中国航天空气动力技术研究院电弧风洞内进行，由电弧加热器、混合室、喷管、导管及真空系统组成，热流测试件安装在导管内，如图1所示。

超声速湍流导管实验原理为：被电弧加热器加热的高温气体经二元超声速矩形喷管加速，使高温气流在矩形湍流导管内湍流流动，在导管的1个侧壁面上设置量热计及压力计，其余3个壁面为水冷壁，并根据实验要求，调试出要求的气流参数。

图1 实验装置及校测件安装位置

Fig.1 Experimental setup and the setting position of the test article

导管中安装的钢制校测件长×宽×厚=100mm×100mm×15mm，其上面按点阵3×3均匀设置了9个塞式量热计，横向和纵向的每排及每列中均安装图3中不同形式的塞式量热计，分别用1、2和3表示。其中1表示传统的带绝热套的量热计，2表示测热塞块与校测件线接触的量热计，3表示测热塞块与校测件有0.4mm缝隙的量热计。另外，测试件上还设置两个压力测点p1和p2，以测量沿着流场方向和垂直流场方向(转动90°安装)的压力分布，如图2所示。

图2 3种量热计位置分布

3种塞式量热计工艺结构如图3所示。塞式量热计1安装在校测件上阶梯孔内；塞式量热计2从校测件下部安装，靠近校测件表面部分加工成“八”字形孔，表面上的孔与塞块与校测件线接触；塞式量热计3同样从下部安装，靠隔热套与校测件紧配合。

图3 3种塞式量热计工艺示意图

1.2 实验结果及分析

为了验证流场的均匀性，实验的过程中分别随机测量电弧风洞运行过程中沿着流场方向的导管壁面压力分布(见图2)及垂直流场方向压力分布(图2沿着中心旋转90°安装)，所用压力传感器量程为0～500kPa，精度±0.2%F.S，压力分布结果见图4和5。

图4 沿着流场方向壁面压力分布

Fig.4 Pressure distributions on the test article along the flow field

图5 垂直于流场方向壁面压力分布

Fig.5 Pressure distributions on the test article perpendicular to the flow field

由图4和5可以看出，在电弧风洞运行过程中首先启动冷气，过了2s后加热器才正式启动。无论是横向还是纵向，2压力p1和p2基本一致，这表明，导管内热流测点的区域中未出现激波的干扰。图5中的p2明显滞后于p1，极有可能是传感器受到干扰造成。

实验分别在高、中、低不同状态下进行，其来流总焓为2500kJ/kg，导管壁面静压范围在30～190kPa。由于塞式量热计1的绝热套在冷壁热流密度较大的条件下极易烧蚀破损，从而导致测量误差的增加。为了确保隔热套的完整，每次实验结束后都要对隔热套进行更换，确保了热流测量精度，并以该测量值为基准热流。

图6～9表示随着导管壁面压力的增加2热流计测量值的变化。可以看出，在导管壁面压力为30和60kPa时带缝隙热流计和带绝热套热流计(基准热流值)测量值基本相当。然而，随着压力的增加，当压力增加到140kPa时，带缝隙的热流计测量值高于基准值的21%；当压力增加到190kPa时，带缝隙的热流计测量值高于基准值的24%。显然，当压力增大到一定时，缝隙的存在使得热流测量值明显增加。

图6 导管内壁面压力为30kPa冷壁热流历程

Fig.6 Cold wall heat flux history with 30kPa pressure in the conduit

图7 导管壁面压力为60kPa热流历程

Fig.7 Cold wall heat flux history with 60kPa pressure in the conduit

图8 导管壁面压力为140kPa热流历程

Fig.8 Cold wall heat flux history with 140kPa pressure in the conduit

图9 导管壁面压力为190kPa热流历程

Fig.9 Cold wall heat flux history with 190kPa pressure in the conduit

而对于测热塞块与校测件线接触的量热计，当压力大于60kPa时，测量值比标准值低13%，随着压力的增加，该值基本不变。在气动热模拟试验中，要求模拟的环境状态通常比弹道热环境状态高10%～15%，这样可以使用线接触量热计取代传统的带绝热套的量热计，其测量值可代替要求的模拟值，而且可以长时间频繁使用。

在图6～9中存在一个明显的差别是：图6中热流历程是一个平台，而其它图中的热流历程随时间是降低的，这是由于当状态较低时(图6中冷壁热流仅约为480kW/m2)铜塞壁温增加缓慢，通过热电偶所测电压信号较弱，抗干扰能力也较差，所测温度值会出现波动，最后通过温度变化速率计算冷壁热流时同样出现了数值波动且近似台阶状；相反，当状态较高时，铜块温升速率大，能量逐渐达到平衡时，温升速率有变小的趋势，所测冷壁热流也逐渐变小。

2 数值模拟研究

2.1 数值模拟方法

电弧风洞实验仅能得到有限的定量实验数据，并不能获得更多的信息来描述流场结构。因此，利用三维数值模拟提供的三维流场可以更好地解释上述现象。

计算网格是采用gridgen生成的三维多块结构网格，计算区域长、宽、高分别为100、20和100mm的导管区域，导管的一侧100mm×100mm的壁面的中心区设置Φ5的紫铜塞块，其与测试件之间有宽为0.4mm、深为0.5mm的缝隙，共有约500万网格节点，如图10所示。

控制方程主要有质量方程、三维可压Navier- Stokes方程及能量方程，详见文献[8]和[9]。湍流模型使用可修正Ring-k-ε湍流模型，该模型适应于计算高雷诺数湍流，尤其可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，计算更容易收敛，在工程计算中得到广泛地应用，其准确性及可靠度也得到较多的实验数据的验证。其输运模型见文献[10]。

k-ε湍流模型方程计算时，为了避免在壁面附近需要更细的网格而导致过大的计算量，采用了壁面函数处理。

2.2 计算结果及分析

为了验证实验可靠性，选用图7中状态进行计算：Ma=2.0，静温Ts=800K，塞块初始表温Tcb=300K,计算的塞块表面热流通量见图11。

图中可以看出，在上述状态下计算所得表面热流不是很均匀，中心部分区域较低约1000kW/m2,上下两侧较高，约1200kW/m2，与图7中所测的热流值较接近。图11中左侧为来流方向，在滞止流两侧缝隙内，气流对铜塞加热较严重，该位置处热流较高,在铜塞的下游区域热流密度明显偏低。

图10 多块结构计算域及边界

图11 Ma=2.0、Ts=800K时塞块表面冷壁热流通量

Fig.11 Cold wall heat fluxes on the slug withMa=2.0 andTs=800K

为了解释图6～9中的实验现象，图12表示在来流Ma=2.0，静温Ts=800K时不同来流静压条件下缝隙内深为0.2mm处流动特征。

由图12可以明显发现，当来流静压为100kPa时缝隙内沿着铜塞一周大部分区域均有流动，尤其在铜塞后部的沟缝内流速能达到150～210m/s; 当来流静压降低到60kPa时，缝隙内流动区域向铜塞后部转移，流速在90～180m/s; 随着压力的进一步降低，当来流静压降低到30kPa时，缝隙内高速流动区域进一步减小，仅在铜塞后部比较窄的区域，最大流速约100m/s。结合实验结果可以明显看出，随着静压的增加，带缝隙的塞式量热计热流测量值偏离基准热流幅度不断增大，其原因是：压力的增加导致缝隙内铜塞周围的绕流现象增强，强化了与铜塞之间的对流换热能力，故热流测量值增加。

图12 缝隙内深度为0.2mm处不同来流静压条件下流动

图13表示来流压力为100kPa条件下不同来流马赫数对缝隙内流动的影响。来流静温Ts=800K，Ma分别为1.5、2.0及2.5。

由图中可以明显看出，随着马赫数的增加，缝隙内深为0.2mm处铜塞的边缘和热流体接触部位不断减小，尤其在马赫数为2.5时，仅仅在铜塞的上下边缘附近区域出现高速流动现象。在铜塞后部的沟缝内基本无高速流动现象。由此可以判断，随着来流马赫数的增加，带缝隙的热流计测量值与基准值之间的差异在减小。

图13 来流静压100kPa、不同马赫数条件下缝隙内流动

Fig.13 Flow in the gap with 100kPa static pressure and different Mach numbers

3 总 结

通过实验和数值模拟研究可以得出以下结论：

(1) 实验研究表明，改进型量热计(测热端与校测件线接触的量热计)在中焓、高冷壁热流条件下热流测量值比基准值低13%，而且随着状态变化较稳定。这样，在较高的热环境状态下可以使用线接触量热计取代传统的带绝热套的量热计，其测量值可代替要求的模拟值(通常，要求模拟的环境状态要高于弹道热环境状态的10%～15%)，同时，可以长时间频繁使用；

(2) 实验和数值模拟研究表明，导管内带有缝隙(本文中为0.4mm)的量热计在相同来流马赫数下随着来流静压的增加，缝隙内流动加剧，强化了热流体与铜塞之间的换热，使得该热流计测量值与基准值之间的差距不断增加；

(3) 数值模拟研究表明，在相同来流压力条件下，随着马赫数的增加，缝隙内流动在减弱，弱化了热流体与铜塞间换热，有利于减小该量热计测量值与基准值之间的差异。

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(编辑：杨 娟)

Experimental and numerical simulation studies on heat flux measurement for slug calorimeters in the conduit

Xu Kao, Chen Lianzhong

(China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China)

The slug calorimeters in the supersonic turbulent conduit of the arc heated wind tunnel were improved. The line-contact calorimeter and the calorimeter which has a 0.4mm gap betwenn the heated end brim of the slug and the test article are adopted. Comparing to measured heat flux data by the typical slug calorimeters, the experimental results show that the output characteristics of the three types of calorimeters have good consistency under the condition of low pressure and low cold-wall heat flux; as pressure increases, the measurement values of the line-contact calorimenters slightly decrease and the measurement values of the 0.4mm gap calorimeters increase noticeably. To explain the result, the flow characteristics of the 0.4mm gap clorimenters are investigated. The influence of the free stream Mach number on the flow in the gap is also studied.

arc heated wind tunnel;supersonic conduit;heat flux;slug calorimeters;gap

1672-9897(2015)02-0084-06

10.11729/syltlx20140127

2014-10-14;

2014-12-18

XuK,ChenLZ.Experimentalandnumericalsimulationstudiesonheatfluxmeasurementforslugcalorimetersintheconduit.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(2): 84-89. 许 考, 陈连忠. 导管内塞式量热计热流测量实验及数值模拟研究. 实验流体力学, 2015, 29(2): 84-89.

V211.74+4

A

许 考(1978-)，男,江苏泗洪人,博士。研究方向:高超声速气动热技术。通信地址：北京7201信箱15分箱(100074)。E-mail: xukjzit@163.com

*通信作者 E-mail: xukjzit@163.com