王宏宇，王 輝，石義雷，龍正義，毛春滿，李 杰

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽 621000)

0 引 言

高超聲速飛行器飛行過程中面臨嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，可導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)在高溫下發(fā)生燒蝕破壞[1]。氣動(dòng)加熱在流場的激波干擾區(qū)尤為嚴(yán)重，第IV類干擾模式中，干擾區(qū)形成的欠膨脹超聲速射流導(dǎo)致局部流動(dòng)參數(shù)幅值發(fā)生劇烈變化，對飛行器表面?zhèn)鳠嵩斐删薮笥绊慬2-3]。

一些學(xué)者在預(yù)測飛行器激波干擾區(qū)表面壓力和熱流的CFD和DSMC計(jì)算校準(zhǔn)方面做了大量工作[4-6]，大量研究結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果大多過高地預(yù)測了熱流值，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在差異。迄今為止，國際上尚沒有形成一個(gè)完備的精確預(yù)測激波干擾流場的計(jì)算方法，也沒有找到影響計(jì)算精度的確切原因，因此，發(fā)展高精度的實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)對于激波干擾氣動(dòng)熱特性問題研究十分重要。

國內(nèi)在高超聲速氣動(dòng)熱測量研究方面，楊彥廣等[7]和彭治雨等[8]對氣動(dòng)熱測量技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了綜合分析探討，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論。針對激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的氣動(dòng)熱測量，發(fā)展了薄膜熱電阻和同軸熱電偶熱流傳感器，通過獲取傳感器感應(yīng)面溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)一維半無限體熱傳導(dǎo)理論計(jì)算出模型表面熱流[9-10]。徐大軍等[11]在激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，獲得了吸氣式高超聲速飛行器氣動(dòng)熱環(huán)境；張扣立等[12]針對高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩研究需求發(fā)展了溫敏漆技術(shù)，驗(yàn)證了溫敏漆技術(shù)對邊界層轉(zhuǎn)捩參數(shù)定量測量的適用性。

稀薄流域高超聲速飛行器的氣動(dòng)加熱問題越來越受到重視，精確預(yù)測飛行器在稀薄流域的氣動(dòng)加熱及其結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)加熱作用下的溫度變化特性能夠?yàn)轱w行器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和熱應(yīng)力計(jì)算提供初始計(jì)算依據(jù)[13-14]。高馬赫數(shù)稀薄來流條件下飛行器面臨的黏性干擾、激波干擾等現(xiàn)象更加顯著，目前對激波干擾氣動(dòng)熱特性的預(yù)測問題還沒有得到有效解決，現(xiàn)有的瞬態(tài)熱流測量技術(shù)無法滿足對低密度風(fēng)洞稀薄來流條件下中低熱流量值、長時(shí)間的精確測量需求，需要發(fā)展新的測量技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)低密度風(fēng)洞來流激波干擾引起的氣動(dòng)熱測量，預(yù)測熱流隨不同流態(tài)的變化規(guī)律，本文發(fā)展了適用于長時(shí)間、中低量值熱流測量的點(diǎn)式測量技術(shù)。

1 適用于長時(shí)間中/低熱流測量的量熱計(jì)設(shè)計(jì)

基于半無限體假設(shè)的一維熱傳導(dǎo)模型，設(shè)計(jì)了帶有封裝外套的量熱計(jì)，通過測量量熱計(jì)表面的溫度-時(shí)間曲線，計(jì)算表面熱流。量熱計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，為了提高傳感器溫度測試信噪比，傳熱體采用導(dǎo)熱系數(shù)低的康銅材料，外徑為0.5 mm的K型鎧裝熱電偶作為前端面測溫元件；為降低熱電偶測溫點(diǎn)接觸熱阻和提高熱響應(yīng)速度，采用純銀融接工藝將測溫接點(diǎn)與傳熱體前表面粘結(jié)在一起；為減小傳熱體的側(cè)向傳熱，實(shí)現(xiàn)近似一維傳熱，在康銅傳熱體外圍固定帶有錐口的不銹鋼封裝外套，使外套與康銅傳熱體之間存有間隙。這種帶有空氣間隙的隔熱封裝外套設(shè)計(jì)明顯增大了傳熱體側(cè)向熱阻系數(shù)，使側(cè)向傳熱顯著降低，提高了基于一維半無限體假設(shè)的熱流測試有效時(shí)間和精確度。量熱計(jì)的公稱直徑為3.2 mm，長度為8 mm。

獲得溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)后，采用基于一維半無限大體熱傳導(dǎo)理論的Cook-Felderman公式[15]計(jì)算出熱流：

(1)

為了便于數(shù)據(jù)處理，將式(1)轉(zhuǎn)化為：

(2)

式中：c為傳熱介質(zhì)的比熱，單位為J/(kg·k)；k為傳熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)；Tw為測點(diǎn)的壁溫，單位為K；ρ為傳熱介質(zhì)密度，單位為kg/m3；t為測量時(shí)間，單位為s。在本文的研究中，將新型量熱計(jì)的測量數(shù)據(jù)與相同測試原理的同軸熱電偶測量數(shù)據(jù)作對比分析，同軸熱電偶的公稱直徑約為2 mm，使用前需要進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

圖1 量熱計(jì)示意圖

2 地面標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為提高風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的氣動(dòng)熱測量精度，量熱計(jì)在使用前需進(jìn)行標(biāo)定，本文采用空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所自主研制的熱流傳感器標(biāo)定系統(tǒng)對量熱計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，其原理圖如圖2所示。標(biāo)定系統(tǒng)由弧光燈光源、位移機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成?；」鉄艄庠从糜诋a(chǎn)生均勻縫補(bǔ)的穩(wěn)定輻射熱流，通過改變弧光燈的輸入電流可以產(chǎn)生不同的輻射熱流值。入射的輻射熱流經(jīng)過已知吸收率的感應(yīng)面涂層進(jìn)入熱流傳感器中。位移機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)傳感器的位置，使弧光燈標(biāo)定光源裝置的中心對準(zhǔn)量熱計(jì)和戈登計(jì)中心。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集溫度信號(hào)隨時(shí)間變化，采樣頻率為1 kHz。將已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)戈登計(jì)作為基準(zhǔn)傳感器測量入射熱流，并根據(jù)量熱計(jì)感應(yīng)面涂層吸收率，計(jì)算出量熱計(jì)凈標(biāo)定入射熱流，然后根據(jù)式(1)，由量熱計(jì)所測溫度信號(hào)計(jì)算出熱流示值。最后，根據(jù)不同弧光燈電流值下的凈標(biāo)定入射熱流和熱流示值，采用最小二乘優(yōu)化算法，擬合一條截距為零的直線，其斜率即為量熱計(jì)的標(biāo)定系數(shù)。

圖2 熱流傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)原理圖

圖3～圖6對比了不同輻射熱流條件下(光源恒定電流為50 A，70 A，90 A，110 A)量熱計(jì)和同軸熱電偶所測得的溫升和熱流變化。由于外界氣流干擾帶來的噪聲較小，量熱計(jì)和同軸熱電偶所獲得的溫升曲線均比較平滑，熱流信號(hào)的噪聲水平較低。其中，量熱計(jì)的響應(yīng)時(shí)間較慢，大約為1 s。兩種測量方式獲得的初始熱流值較為接近，表明兩種傳感器均能夠?qū)χ械蜔崃鬟M(jìn)行測量。同軸熱電偶的響應(yīng)時(shí)間較快，但由于受到側(cè)向傳熱的影響，其獲得的熱流信號(hào)很快呈現(xiàn)出下降的趨勢，且熱流值越大，下降越快。增加了封裝外套的量熱計(jì)，由于減小了側(cè)向傳熱，所測得的熱流長時(shí)間保持恒定，有效降低了測量誤差。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量熱計(jì)具備對中低量值的熱流長時(shí)間測量的能力。

圖3 量熱計(jì)溫升曲線

圖4 同軸熱電偶溫升曲線

圖5 通過量熱計(jì)溫升計(jì)算的熱流

圖6 通過同軸熱電偶溫升計(jì)算的熱流

圖7給出了量熱計(jì)熱流示值q和戈登計(jì)獲得的凈標(biāo)定入射熱流q*比對數(shù)據(jù)，由二者線性回歸的直線斜率獲得量熱計(jì)的測量數(shù)據(jù)標(biāo)定系數(shù)k，則量熱計(jì)的校準(zhǔn)值q*為熱流示值q與k的乘積。即q*=

圖7 量熱計(jì)熱流標(biāo)定曲線

kq。標(biāo)定了16個(gè)量熱計(jì)用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)熱流測量。

3 高超聲速低密度風(fēng)洞激波干擾實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的量熱計(jì)用于測量高超聲速低密度來流條件下模型表面熱流的可行性，在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所Φ1 m低密度風(fēng)洞上開展了雙錐模型激波干擾氣動(dòng)熱測量實(shí)驗(yàn)。模型尺寸采用國際上的標(biāo)準(zhǔn)雙錐模型[16]，如圖8所示：模型一級錐角和二級錐角分別為25°和55°，總直徑為261.85 mm；測量時(shí)模型的攻角為0，在模型的兩條特征線上設(shè)置直徑為3.3 mm和2.2 mm的測量孔，分別用于安裝量熱計(jì)和同軸熱電偶。模型底部安裝法蘭盤將模型固定于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的快送機(jī)構(gòu)上。當(dāng)風(fēng)洞運(yùn)行流場穩(wěn)定后，快送機(jī)構(gòu)將模型快速送進(jìn)至均勻來流的中心位置，送進(jìn)時(shí)間約為0.2 s。模型被送進(jìn)后，傳感器與紋影系統(tǒng)同步采集數(shù)據(jù)。為對熱流分布的規(guī)律性進(jìn)行定性研究，實(shí)驗(yàn)采用了高靈敏度的雙光程紋影成像系統(tǒng)捕捉流場激波圖像，紋影系統(tǒng)配備LED光源，紋影鏡，刀口和相機(jī)等部件，相機(jī)的采樣速率為30幀/秒，分辨率為1920×1080，與采用單次平行光通過實(shí)驗(yàn)流場的單光程紋影系統(tǒng)相比，雙光程紋影系統(tǒng)采用單球面反射鏡，利用發(fā)散光通過實(shí)驗(yàn)流場，由于光束受到兩次擾動(dòng)，光線的偏折角加倍，流場成像的靈敏度更高[17]。

風(fēng)洞前室總壓p0采用測量范圍為0～10 MPa絕對壓力傳感器測量，精度0.2%；前室總溫T0采用鉑銠-鉑B型熱電偶測量，測量精度為0.5%。實(shí)驗(yàn)采用M10和M12兩種噴管，通過典型狀態(tài)的流場馬赫數(shù)校測，噴管核心區(qū)馬赫數(shù)分別為9.82(M10)和11.54(M12)。實(shí)驗(yàn)過程中，每種工作狀態(tài)開展三次實(shí)驗(yàn)，以考核傳感器測量的重復(fù)性。

圖8 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

3.2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖9為實(shí)驗(yàn)紋影圖，給出了兩種工況下雙錐模型誘導(dǎo)的激波及其相互干擾狀態(tài)：包括分離激波、分離區(qū)、再附激波和剪切層等典型流場結(jié)構(gòu)，研究表明兩種來流工況下模型誘導(dǎo)的流場結(jié)構(gòu)相似。由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)紋影圖可知，兩種工況下分離點(diǎn)的位置幾乎相同，大致位于第一錐體的中心，且激波干涉點(diǎn)的位置也大致相同。由紋影圖可預(yù)測熱流的分布情況，由激波干擾的流動(dòng)特性可知，位于第一錐體頭部附近的邊界層黏性干擾區(qū)和第二錐體的激波干擾區(qū)存在較大的熱流。

圖9 實(shí)驗(yàn)紋影

圖10～圖13給出了M10和M12工況下量熱計(jì)和同軸熱電偶所測量的模型特征線上的熱流分布。由圖10～13可知，一級錐的大部分區(qū)域熱流較低，只有位于上游黏性干擾區(qū)的熱流較高，自模型拐點(diǎn)起，表面熱流呈上升趨勢，在激波干擾區(qū)再附點(diǎn)處熱流達(dá)到峰值。再附點(diǎn)下游，熱流逐漸減小，出現(xiàn)了一個(gè)極低值，而后又逐漸升高，該結(jié)果與激波/邊界層相互干擾的流動(dòng)機(jī)制完全相符，說明測量結(jié)果能夠真實(shí)反映氣動(dòng)加熱過程。三個(gè)車次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比表明兩種傳感器測量重復(fù)性較好，最大重復(fù)性誤差小于6%。值得注意的是，同軸熱電偶的測量結(jié)果較量熱計(jì)偏大，分析原因，新型量熱計(jì)的導(dǎo)熱體與其封裝外殼通過前端刃口配合密封，最大限度減小側(cè)向傳熱接觸面積，也保證了傳熱體有效受熱面積在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的恒定；而同軸熱電偶在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，由于模型與安裝孔壁面之間存在較明顯的縫隙，產(chǎn)生了局部側(cè)向熱輸入，導(dǎo)致其實(shí)際有效換熱面積大于同軸熱電偶端面的測熱面積，從而導(dǎo)致測量結(jié)果偏高。因此，同軸熱電偶在使用時(shí)應(yīng)與模型測量孔無縫配合以減小測量誤差[18]。

圖10 M10風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔崃鞣植?量熱計(jì)測量)

圖11 M10風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔崃鞣植?同軸熱電偶測量)

圖12 M12風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔崃鞣?量熱計(jì)測量)

圖13 M12風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔崃鞣植?同軸熱電偶測量)

圖14～圖17給出了量熱計(jì)和同軸熱電偶所測量熱流的結(jié)果，分別選取低熱流值的測點(diǎn)4和高熱流值的測點(diǎn)11和測點(diǎn)12進(jìn)行分析。由圖14和圖15可知，兩種傳感器均可以很好捕捉到低熱流值(q<10 kW/m2)。由于低熱流時(shí)側(cè)向傳熱不明顯，同軸熱電偶也可以對低熱流較好地捕捉，且熱流信號(hào)的信噪比較量熱計(jì)高。值得注意的是，兩種傳感器捕捉的信號(hào)中均有一個(gè)初始峰值，且同軸熱電偶的信號(hào)較為明顯，這是因?yàn)槟Ｐ退瓦M(jìn)過程中受到來流的瞬時(shí)沖擊作用。待流場穩(wěn)定后，呈現(xiàn)較為均勻的變化。通過地面標(biāo)定實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)同軸熱電偶測量低熱流的閾值，大概為q=20 kW/m2。對于較高熱流的測點(diǎn)(測點(diǎn)11和測點(diǎn)12)來說，可以明顯看到兩種傳感器的差異性，量熱計(jì)的響應(yīng)時(shí)間明顯變長，測點(diǎn)12經(jīng)過兩秒熱流才基本達(dá)到恒定，這可能是由于局部流場加熱的非定常性引起的。由于同軸熱電偶本身的響應(yīng)時(shí)間較快，可以捕捉到振蕩較為明顯的熱流變化，但兩側(cè)點(diǎn)的熱流值隨測試時(shí)間延長均顯著下降，與地面標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果相似。因此，本文量熱計(jì)的設(shè)計(jì)可以滿足低密度來流條件下中低量值熱流測量，而對于低量值的熱流測量，同軸熱電偶也能滿足測量精度要求，考慮到實(shí)驗(yàn)成本，測量的熱流較低時(shí)，采用同軸熱電偶是合適的。

4 結(jié) 論

本文針對高超聲速低密度風(fēng)洞復(fù)雜激波干擾氣動(dòng)熱問題的研究，給出了一種長時(shí)間、中低量值熱流測量方法。采用空氣隔熱設(shè)計(jì)的量熱計(jì)可有效改善量熱計(jì)側(cè)向傳熱的影響，實(shí)現(xiàn)更高的熱流測量精度。通過開展量熱計(jì)的地面標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和M10、M12高超聲速低密度風(fēng)洞激波邊界層氣動(dòng)熱測量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所研制的量熱計(jì)具備長時(shí)間、中低量值熱流的測量能力，并且可用于高超聲速稀薄來流條件下激波干擾復(fù)雜氣動(dòng)熱問題的研究。通過本文研究可得出

圖14 M10風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)4量熱計(jì)熱流測量結(jié)果

圖15 M10風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)同軸熱電偶熱流測量結(jié)果

圖16 M12風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)量熱計(jì)熱流測量結(jié)果

圖17 M12風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)同軸熱電偶熱流測量結(jié)果

以下具體結(jié)論：

1)量熱計(jì)的響應(yīng)時(shí)間較同軸熱電偶慢，對于激波干擾區(qū)非定常加熱的情形，量熱計(jì)的響應(yīng)時(shí)間長達(dá)2 s。

2)對于較大量值的熱流測量，由于空氣隔熱的量熱計(jì)極大減輕了側(cè)向傳熱的影響，測量精度較同軸熱電偶高，而對于低量值的熱流(q<20 kW/m2)，同軸熱電偶表現(xiàn)出較好的測量性能。