[发明专利]超声速湍流导管内试验件表面冷壁热流快速计算方法

说明书

超声速湍流导管内试验件表面冷壁热流快速计算方法，首先在超声速湍流导管内进行多次不同来流恢复焓、不同来流总压和不同来流马赫数的冷壁热流测试试验，计算超声速湍流导管冷壁热流密度，然后将上述相应的参数代人湍流条件下自由射流平板模型冷壁热流工程计算公式，得到另一系列的冷壁热流，随后将上述两组由相同参数的得到的冷壁热流进行比较，得到湍流导管冷壁热流与自由射流的冷壁热流间关系，从而确定适用于湍流导管的冷壁热流工程计算方法，利用该方法再计算得到电弧风洞加热设备的运行参数，最后进行湍流导管气动热试验状态调试，在湍流导管内进行试验件气动热烧蚀试验。

技术领域

本发明涉及超声速湍流导管内试验件表面冷壁热流快速计算方法，通过实验找到超声速湍流导管内冷壁热流的工程快速算法，在确定来流恢复焓和冷壁热流条件下可快速确定电弧风洞的加热设备运行参数，从而实现气动热电弧风洞试验状态的快速调试，加快试验进度。

背景技术

目前，对于超声速导管的研究主要在如下几个方面:(1)导管内壁面冷壁热流测量及其精度方面；(2)导管内试片材料气动热试验烧蚀问题；(3)导管内湍流流动激波与边界层干扰方面研究。而对于导管内冷壁热流估算的研究，包括工程算法的研究还未见报道，受限于不同体积大小的导管内热气流膨胀规律的差异，目前还很难做到适用于各类导管内冷壁热流计算的普适性公式。在超声速湍流导管气动热试验过程中找出其冷壁热流工程算法，为高效、快捷进行导管内气动热烧蚀试验提供指导。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了超声速湍流导管内试验件表面冷壁热流快速计算方法，可快速估算导管内试验件的冷壁热流，从而为气动热试验中试验设备参数估算提供捷径。

本发明的技术解决方案是：超声速湍流导管内试验件表面冷壁热流快速计算方法，包括如下步骤：

(1)在超声速湍流导管内随机进行N次不同马赫数M_a、不同来流恢复焓h_r、不同来流总压P₀的冷壁热流测试试验，并获得N个与之相对应的冷壁热流密度q_dg；

(2)根据步骤(1)随机试验得到的N组不同来流马赫数Ma、恢复焓h_r和来流总压P₀使用超声速自由射流冷壁热流湍流工程计算公式得到对应的超声速湍流导管冷壁热流密度q_xi；其中，i＝1，2，3，…，N，为普朗特数，表示流体流动中动量交换与热交换相对强弱的物理量，ρ_e为喷管出口气流密度，u_e为喷管出口流动速度、为雷诺数，μ_e为动力粘性系数，C_p为流体的定压比热，L为壁面平板的特征长度，k为流体的导热，h_w为当地壁焓，通常取300K时的焓值；

(3)根据步骤(2)得到的N组超声速湍流导管冷壁热流密度q_xi与步骤(1)与之对应参数得到的q_dg进行比较，近似可得湍流导管冷壁热流Q为某正的有理数；

(4)通过步骤(3)得到的湍流导管冷壁热流并结合不同马赫数Ma、不同来流恢复焓h_r、不同来流压力P₀计算得到电弧风洞加热设备的运行参数；所述的电弧风洞加热设备的运行参数包括加热设备的空气流量、功率、前室总压；

(5)根据步骤(4)得到的电弧风洞加热设备的运行参数进行湍流导管气动热试验状态调试；

(6)在湍流导管内进行试验件气动热烧蚀试验。

所述的湍流导管出口截面尺寸高×宽为90mm×16mm，来流恢复焓不高于17MJ/kg，来流压力不高于4.5MPa，Ma1～Ma5，来流雷诺数大于10^5。

本发明与现有技术相比的优点在于：