穩(wěn)態(tài)焓探針的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

朱新新, 隆永勝, 石友安, 楊慶濤, 周平, 趙順洪

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000; 2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 計(jì)算空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

在高超聲速飛行器地面防熱試驗(yàn)中，總焓模擬的準(zhǔn)確程度直接影響到高馬赫數(shù)下氣動加熱物理化學(xué)過程模擬的準(zhǔn)確性[1-2]。在電弧風(fēng)洞[3]等地面防熱試驗(yàn)設(shè)備中，熱力環(huán)境復(fù)雜[4]，測量誤差較大，總焓測量一直是熱環(huán)境測試的一項(xiàng)技術(shù)難題。通過多年探索，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了一些測量方法[5]，如平均總焓測試方法(包括能量平衡法、聲速喉道法[6]等)和局部總焓測試方法(包括總溫探針法、駐點(diǎn)熱流Fay-Riddell法[7]、焓探針法等)等。其中，焓探針法主要包括：瞬態(tài)熱阻焓探針[8]、雙聲速喉道焓探針[9]、質(zhì)量注入型焓探針[10-11]和穩(wěn)態(tài)焓探針等。穩(wěn)態(tài)焓探針[12-13]最早由Grey等學(xué)者于20世紀(jì)60年代提出，在等離子體流場中進(jìn)行了應(yīng)用，并指出其存在靈敏度偏小等問題。謝布魯克大學(xué)Rahmane等[14]在等離子炬中開展了外表面噴鍍防熱膜的穩(wěn)態(tài)焓探針對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了其具有相對更高的靈敏度。復(fù)旦大學(xué)趙太澤等[15]通過改進(jìn)氣流量測量技術(shù)提高了穩(wěn)態(tài)焓探針的響應(yīng)時(shí)間。Feng[16]和孫成琪[17]等使用穩(wěn)態(tài)焓探針進(jìn)行了等離子體流場診斷應(yīng)用研究，取得了較好的流場診斷結(jié)果。

在小尺寸等離子流場中使用時(shí)，穩(wěn)態(tài)焓探針的受熱面主要集中于前端，因此即使將焓探針采樣管直接暴露于流場中，焓探針也能保證一定的靈敏度。而對于電弧加熱器中的寬流域高熱流高壓力流場，若仍將焓探針采樣管直接暴露于高溫流場中，則會出現(xiàn)兩方面問題：一是被采樣氣體傳給冷卻水的熱能相對于整個(gè)熱環(huán)境帶來的熱能要小得多，焓探針靈敏度變低、測量精度變差；二是電弧風(fēng)洞等高溫氣流加熱設(shè)備產(chǎn)生的流場具有較強(qiáng)的沖刷性，焓探針工作環(huán)境惡劣。針對上述問題，結(jié)合焓探針測量原理及其工作環(huán)境特點(diǎn)，研制了一種具有熱防護(hù)罩的高精度穩(wěn)態(tài)焓探針，以滿足電弧風(fēng)洞等地面防熱試驗(yàn)設(shè)備中的總焓測量需求。

1 測量原理與測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

穩(wěn)態(tài)焓探針測量高溫氣流焓值基于能量平衡原理。將待測位置的高溫氣流引入一個(gè)具有水冷結(jié)構(gòu)的管道(即采樣管)，進(jìn)入采樣管的高溫氣體通過采樣管內(nèi)管(通氣管)與冷卻水發(fā)生換熱，根據(jù)能量平衡原理就可得出待測位置氣流的焓值。采樣管結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)截止閥關(guān)閉時(shí)，采樣管內(nèi)部沒有氣流流動，焓探針冷卻水的溫升只由外部熱環(huán)境引起；截止閥打開時(shí)，高溫氣流從采樣管中流過并與冷卻水換熱，冷卻水溫升由外部熱環(huán)境和采樣管內(nèi)部高溫氣流共同作用引起。

圖1 焓探針采樣管結(jié)構(gòu)

利用穩(wěn)態(tài)焓探針測量總焓h的計(jì)算公式如下：

(1)

ΔT=ΔTopen-ΔTclose

(2)

式中，mg、mcw分別為采樣氣體質(zhì)量流量、冷卻水質(zhì)量流量；cpw、cpg分別為冷卻水比熱、氣體比熱；ΔTopen、ΔTclose分別為截止閥打開和關(guān)閉時(shí)的冷卻水溫升，二者差值為溫差ΔT；Tg為截止閥打開時(shí)采樣管出口處的氣流溫度。

為了準(zhǔn)確獲得計(jì)算焓值所需的各個(gè)測試量，設(shè)計(jì)了如圖2所示的焓探針測量系統(tǒng)。整個(gè)測量系統(tǒng)分為4個(gè)模塊：模塊1為氣體采樣模塊，主要包括焓探針和電磁截止閥(閥打開時(shí)開始?xì)怏w采樣，關(guān)閉時(shí)停止采樣)；模塊2為氣體參數(shù)測量模塊，主要包括溫度傳感器(測量采樣氣體被冷卻后的溫度Tg)、壓力傳感器(監(jiān)測整個(gè)氣路的實(shí)時(shí)壓力變化，確保流量計(jì)的安全使用)和氣體質(zhì)量流量計(jì)(測量氣體的質(zhì)量流量mg)；模塊3為水參數(shù)測量模塊，主要包括進(jìn)出水溫度傳感器(測量不同時(shí)刻的冷卻水溫升ΔTopen和ΔTclose)和液體流量計(jì)(測量冷卻水的質(zhì)量流量mcw)；模塊4是數(shù)據(jù)采集模塊，主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制計(jì)算機(jī)等。

圖2 焓探針測量系統(tǒng)

2 焓探針采樣管的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

焓探針采樣管的主要功能是將采樣氣體的大部分熱能快速傳遞給冷卻水。為此，選擇熱導(dǎo)率高且易加工的無氧銅材料加工制作如圖1所示的采樣管，同時(shí)采用有限元分析法進(jìn)行優(yōu)化選型。采樣管為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此計(jì)算中采用軸對稱模型。(1) 幾何模型：參照圖1和3，將圖1所示的采樣管插入到開有安裝孔的直徑50 mm的球頭模型中；(2) 邊界條件：采樣管外管(水管)外壁和后端面均設(shè)為絕熱邊界，內(nèi)管(通氣管)的出氣口背壓為600 Pa，冷卻進(jìn)水溫度300 K；(3) 載荷條件：來流馬赫數(shù)6、總焓1.3 MJ/kg、總壓5.03 MPa，這是某電弧加熱風(fēng)洞上實(shí)際運(yùn)行過的一個(gè)低焓來流狀態(tài)。

在不同采樣管長度、壁厚以及不同水流向、水流量情況下，利用上述計(jì)算模型分析比較了采樣管出口氣體溫度Tg、冷卻水進(jìn)出口溫差ΔT以及相應(yīng)焓值的變化情況。共進(jìn)行了5個(gè)組次的計(jì)算比較(見表1)。其中，出口氣體溫度越低，表明冷卻效果越好；冷卻水進(jìn)出口溫差越大，表明焓探針靈敏度越高，從熱電偶測溫角度分析其測量結(jié)果的誤差也會越小。組次1為根據(jù)工程估算結(jié)果設(shè)置的采樣管和水流初始參數(shù)，計(jì)算得到的溫度場如圖3所示(圖中Tin、Tout分別表示進(jìn)水、出水溫度)，圖中水管出口冷卻水溫度和通氣管出口氣體溫度為管截面的平均溫度。表1中，靠近通氣管的水道的水流向與氣流方向一致，即為順流(圖1所示的流動情況即為順流)，相反則為逆流。采樣管的通氣管內(nèi)徑為0.6 mm，選擇較小的采樣管通氣管內(nèi)徑有利于換熱和減小采樣氣流對流場的干擾。

表1 不同控制參數(shù)下計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculation results for different control parameters

圖3 表1中組次1的焓探針溫度場

表1中的5組根據(jù)水溫差等參數(shù)計(jì)算得到的焓值均比來流總焓(1.3 MJ/kg)略低，這主要有兩方面原因：一是采樣管升溫吸熱儲存了一部分能量；二是出水管截面的溫度分布不均勻，計(jì)算溫差時(shí)是按照面積加權(quán)平均取得的近似溫度值。

對5組計(jì)算結(jié)果作進(jìn)一步分析：(1) 組次2與組次1的計(jì)算結(jié)果表明，采樣管壁厚對焓值測量結(jié)果幾乎無影響，這是因?yàn)椴蓸庸艿膶?dǎo)熱率較高，一定范圍內(nèi)的壁厚變化基本不影響換熱；(2) 組次3與組次1的計(jì)算結(jié)果表明，增加采樣管長度，可增大換熱面積、延長換熱時(shí)間、提高冷卻水出口溫度、降低出口氣體溫度，使得總的換熱量增加，有利于提高焓探針焓值測量的靈敏度和準(zhǔn)確性；(3) 組次4與組次3的計(jì)算結(jié)果表明，冷卻水流向變化對總體換熱情況和焓值測量幾乎無影響，但逆流時(shí)水管出口溫度分布更均勻，有利于減小實(shí)際測量時(shí)的誤差；(4) 組次5與組次3的計(jì)算結(jié)果表明，水流量在一定范圍內(nèi)的變化對焓值測量幾乎無影響，但是選擇較小的水流量可以得到較大的進(jìn)出水溫差，則焓探針有較高的靈敏度。

從以上比對結(jié)果可知：(1) 考慮到焓探針的機(jī)械強(qiáng)度，焓探針的采樣管壁厚可以適當(dāng)增加；(2) 在工藝條件允許的情況下，采樣管可適當(dāng)增加長度；(3) 水流向應(yīng)設(shè)為逆流，且水流量在能實(shí)際測量到準(zhǔn)確流量值的前提下應(yīng)盡可能小。

3 焓探針隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在焓值測量中，只需要采樣管與被采樣氣體和冷卻水換熱，其他與采樣管發(fā)生的換熱(如與外界熱環(huán)境、與后端測試管路等的換熱)都是干擾，會給焓值測量帶來不同程度的誤差。在式(2)中，以開閥的冷卻水溫升減去閉閥的冷卻水溫升，這種方法理論上能夠排除干擾換熱對焓值計(jì)算的影響，但在實(shí)際測量中，干擾換熱可能比采樣氣體產(chǎn)生的換熱更大，且開/閉閥狀態(tài)下的焓探針內(nèi)部熱環(huán)境并非維持不變。因此，為減小焓值計(jì)算誤差，需對采樣管進(jìn)行隔熱處理，盡可能減小干擾換熱。

焓探針的原結(jié)構(gòu)是將采樣管直接暴露于高溫氣流中(見圖1)，其閉閥時(shí)的溫升ΔTclose的大小主要由兩部分熱流導(dǎo)致：一是采樣管前端面的熱流；二是采樣管外圓周面的熱流。盡管圓周面的熱流密度相對前端面較小，但其面積大很多，所以同樣會對焓探針采樣管產(chǎn)生較大的加熱(文獻(xiàn)[14]中噴鍍防熱膜的主要目的就是為了減小外圓周面熱流)。此時(shí)，若僅考慮保護(hù)焓探針和減小外圓周面熱流帶來的較大的ΔTclose，加大水流量即可；但是，加大水流量后，溫差ΔT會隨著水流量的增大而大幅度減小，直接導(dǎo)致焓探針靈敏度降低、誤差增大。

為解決這一矛盾，將采樣管安裝在一個(gè)熱防護(hù)罩內(nèi)部，如圖4所示。當(dāng)未打開截止閥時(shí)，流場中的采樣管僅前端面被加熱，ΔTclose必然有較大程度的降低，從而就可以減小冷卻水的流量以提高ΔT，達(dá)到提高焓探針靈敏度、減小測量誤差的目的。

熱防護(hù)罩有較大面積暴露于高溫氣流中，為防止其被高溫氣流燒壞，必須使用高壓水對其進(jìn)行充分冷卻。高壓水來自于整個(gè)電弧加熱器冷卻水的分支，其水溫存在一定波動，熱防護(hù)罩內(nèi)壁面溫度也因之產(chǎn)生波動。為減小其對焓值測量的影響，必須盡量減小采樣管外壁面與熱防護(hù)罩內(nèi)壁面之間的換熱。為此，在采樣管氣體入口端設(shè)計(jì)了較窄的隔熱環(huán)，在出口端設(shè)計(jì)了隔熱套，其間大部分為密閉的空氣間隙。隔熱環(huán)和隔熱套選用熱導(dǎo)率低、耐高溫的隔熱材料制作。這種隔熱結(jié)構(gòu)能夠較大程度地減小采樣管外壁面與熱防護(hù)罩內(nèi)壁面之間的換熱。

圖4 帶熱防護(hù)罩的焓探針結(jié)構(gòu)

在來流焓值和壓力一定的條件下，如果以增大換熱量的方式來提高采樣管冷卻水溫升，就需增大氣體采樣量，即增大采樣管口徑。但采樣管口徑太大會對流場產(chǎn)生干擾，且其內(nèi)部氣體與冷卻水的換熱也不充分，導(dǎo)致ΔT很小。而與體積較小的采樣管相比，與采樣管后端相連的測試管路是一個(gè)較大的熱沉，當(dāng)高溫氣流與冷卻水發(fā)生換熱時(shí)，采樣管與測試管路之間也會發(fā)生換熱，造成熱能損失，導(dǎo)致測量結(jié)果偏小。這一換熱過程很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，從而增加了焓值測量的響應(yīng)時(shí)間(采樣管進(jìn)出水溫差穩(wěn)定的時(shí)間)。針對這一問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)與采樣管出口端相匹配的測試座(以隔熱性能較好的材料制作)。該測試座有2個(gè)作用：一是大幅度減小采樣管與測試管路之間的換熱；二是提供一個(gè)測量冷卻水溫升和冷卻后氣體溫度的支座。測試座具有較低的熱導(dǎo)率和較好的隔熱性能，與以往的金屬管路相比，更有利于減小水、氣溫度的測量誤差。

4 焓探針的水、氣流量設(shè)計(jì)與優(yōu)化

焓探針的冷卻水流量和采樣氣流量是測量焓值時(shí)2個(gè)最主要的控制參數(shù)，是影響焓探針靈敏度和測量誤差的主要因素。

水流量設(shè)計(jì)主要考慮以下兩方面因素：一方面，為了獲得較高的焓探針靈敏度(即較大的ΔT)，應(yīng)在保證冷卻充分的條件下盡可能使用較小的水流量。冷卻充分與否，可通過采樣管出口氣體溫度來判定(一般要求小于373 K)，出口氣體溫度越低，冷卻越充分。另一方面，需考慮水溫的實(shí)際可測性。此類復(fù)雜熱環(huán)境下狹小空間內(nèi)的水溫測量，主要靠熱電偶實(shí)現(xiàn)；而在細(xì)小的水路管道中，熱電偶結(jié)點(diǎn)容易碰觸管壁甚至阻塞管道，其尺寸效應(yīng)已不可忽略，因此測試座的局部管道應(yīng)適當(dāng)增大；但管道增大會使冷卻水流速變慢，在水流量較小時(shí)，冷卻水可能無法充滿整個(gè)水道，從而導(dǎo)致水溫測試曲線波動較大。因此，水流量也不能過小，需要根據(jù)實(shí)際管路和測試位置優(yōu)化設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)際可測的較小的水流量。

優(yōu)化方法為：從較小的水流量開始，逐漸增大水流量，比較水溫測試曲線的峰-峰值，當(dāng)水溫測試曲線峰-峰值不再隨水流量增大而減小時(shí)，即認(rèn)為此水流量為較優(yōu)水流量。按此方法，經(jīng)過多次調(diào)試，得到某尺寸焓探針測試管路的較優(yōu)水流量應(yīng)控制在3.5 g/s以上，此時(shí)溫度波動在0.2～0.3 K之間。

氣流量設(shè)計(jì)同樣需考慮兩方面因素：一方面，從測量原理看，在來流狀態(tài)一定的情況下，一個(gè)具有較好換熱條件和隔熱結(jié)構(gòu)的焓探針采樣不同大小的氣流量，得到的焓值應(yīng)該一致。為此，在某穩(wěn)定流場條件下對比了3種(7次)不同氣流量的焓值測量結(jié)果(見表2)，其平均值為2.817 MJ/kg，7次測量結(jié)果與平均值最大偏差為3.6%，表明該焓探針穩(wěn)定性好，具有較好的換熱條件和隔熱結(jié)構(gòu)。另一方面，隨著采樣氣流量增加，冷卻水溫差增加，這有利于提高焓探針靈敏度和減小測量誤差。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在不干擾流場和實(shí)際可測的前提下，應(yīng)選擇較大的采樣氣流量。

表2 不同氣流量下焓值測量結(jié)果Table 2 Enthalpy test results for different gas mass flow

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果討論

在中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所的某電弧加熱設(shè)備中完成了穩(wěn)態(tài)焓探針的驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證內(nèi)容分為兩部分：第一部分為穩(wěn)態(tài)焓探針重復(fù)性精度考核驗(yàn)證；第二部分為穩(wěn)態(tài)焓探針與駐點(diǎn)熱流Fay-Riddell法測焓的比對考核驗(yàn)證。

圖5為位于噴管出口的2種待考核探針(上方為穩(wěn)態(tài)焓探針，下方為熱流探針)，熱流探針內(nèi)裝測量熱流的塞塊式量熱計(jì)[18]，試驗(yàn)前在熱流標(biāo)定系統(tǒng)[19-20]中進(jìn)行了校準(zhǔn)，以減小熱流測量誤差，提高駐點(diǎn)熱流Fay-Riddell法計(jì)算焓值的準(zhǔn)確性。設(shè)穩(wěn)態(tài)焓探針重復(fù)性精度考核試驗(yàn)中共有n個(gè)來流狀態(tài)，每個(gè)來流狀態(tài)重復(fù)測量m次，則可得到n個(gè)狀態(tài)焓值的測量結(jié)果矩陣為：

H=(hij)n×m

(3)

圖5 穩(wěn)態(tài)焓探針和熱流探針

(4)

則可定義焓探針的重復(fù)性精度ε為：

(5)

圖6為某焓值來流狀態(tài)(表3中的狀態(tài)7)下連續(xù)測量3次得到的曲線(3條實(shí)線為溫度曲線，2條短劃線為流量曲線；Qg、Qw分別表示氣體和水的流量)。45 s時(shí)，焓探針?biāo)腿肓鲌?，此時(shí)截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氣流量(棕色短劃線)為零，出水溫度(紅色實(shí)線)升高約12 K，此時(shí)的溫升ΔTclose主要由采樣管前端面受熱所致；同時(shí)，少量高熱氣流進(jìn)入采樣管后被制止，因此測氣體溫度的熱電偶(藍(lán)色實(shí)線)也有一定溫升。53 s時(shí)，截止閥打開，約3 s后達(dá)到穩(wěn)定，表現(xiàn)為出水溫度進(jìn)一步升高并穩(wěn)定在293 K左右，此時(shí)的溫升ΔTopen主要由采樣管前端面受熱和采樣管內(nèi)部的高熱氣流共同導(dǎo)致；同時(shí)，冷卻后的氣體溫度穩(wěn)定在345 K左右。其后重復(fù)開關(guān)閥2次，情況類似。在整個(gè)測試過程中，進(jìn)水溫度和水流量波動非常小，說明焓探針具有較好的穩(wěn)定性。

表3 不同焓值狀態(tài)的精度偏差Table 3 Precision deviation for different enthalpy value

圖6 穩(wěn)態(tài)焓探針測試曲線

根據(jù)上述5個(gè)測試量，就可通過式(1)計(jì)算得到焓值。3次測量結(jié)果依次為4.762、4.678和4.539 MJ/kg，平均值為4.660 MJ/kg；3次測量值與平均焓值的偏差分別為2.1%、0.4%和-2.6%，則該狀態(tài)下焓探針的重復(fù)性精度為2.6%。

對表3中的8個(gè)焓值狀態(tài)開展了重復(fù)性試驗(yàn)，每個(gè)狀態(tài)重復(fù)3次，其重復(fù)性精度如表3所示。根據(jù)式(5)可知：該焓探針在所測焓值范圍內(nèi)的重復(fù)性精度最小為1.0%，最大為2.6%。

圖7展示了12個(gè)不同來流狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)焓探針與駐點(diǎn)熱流Fay-Riddell法的對比測量結(jié)果(縱軸為穩(wěn)態(tài)焓探針測得的焓值，橫軸為駐點(diǎn)熱流Fay-Riddell法測得的焓值)，最大偏差為13.0%。將所有測量點(diǎn)作線性擬合，得到的直線斜率為0.99，表明穩(wěn)態(tài)焓探針與駐點(diǎn)熱流Fay-Riddell法測量結(jié)果吻合較好，測試結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖7 穩(wěn)態(tài)焓探針與駐點(diǎn)熱流Fay-Riddell法測焓結(jié)果

6 結(jié) 論

針對電弧加熱設(shè)備中的寬流域、高熱流、強(qiáng)沖刷流場，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種帶熱防護(hù)罩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)焓探針。研究結(jié)果表明：該焓探針穩(wěn)定性好，相同來流狀態(tài)下采樣不同氣流量得到的焓值最大偏差為3.6%；重復(fù)性精度高，相同來流狀態(tài)下測得焓值的重復(fù)性精度為2.6%；與駐點(diǎn)熱流Fay-Riddell法的測量結(jié)果吻合較好，最大偏差為13.0%，能夠廣泛應(yīng)用于各種高溫流場焓值的多狀態(tài)、長時(shí)間監(jiān)測。