Способ определения теплового потока
METHOD FOR DETERMINING HEAT FLUX

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при исследовании теплообмена, измерении интенсивных радиационных потоков, изучении высокотемпературных материалов.
При высокотемпературных испытаниях в аэродинамической трубе образцов материалов и элементов конструкции высокоскоростных летательных аппаратов необходимо измерять тепловой поток, поступающий на исследуемый объект испытания. При высокоскоростном полете аппарат обтекает химически высокоактивная плазма. Воздействие плазмы и высоких тепловых потоков может привести к разрушению материалов аппарата.
0
Известен способ определения теплового потока к поверхности образца, в частности, от высокоэнтальпийных плазменных струй, с помощью таблеточного калориметрического датчика, заключающийся в том, что до начала измерений калориметрический датчик блокируют шторкой от воздействия теплового потока, чтобы температура датчика Т была равна температуре корпуса Т. Затем шторку убирают и датчик подвергают воздействию измеряемого теплового потока. Удельный тепловой поток определяют по наклону касательной к кривой зависимости температуры теплоприемного элемента калориметра от времени T=f(t) в точке перегиба. (Григорович Б.М., Назаренко И.П., Никитин П.В., Сотник Е.В. Определение теплового потока к теплоемкостному (таблеточному) датчику регулярного режима по дискретным значениям его температуры // Современные проблемы науки и образования. - 2007. - № 6, часть 3, - С. 36-40).
Недостатками известного способа являются:
1) зависимость от свойств материала теплоприемного элемента калориметра - изготовить теплоприемный элемент калориметра из исследуемого материала, как правило, не представляется возможным;
2) ограничение применения при высокотемпературных испытаниях.
Для определения теплового потока к модели в аэродинамических трубах используют способы, основанные на применении дискретных датчиков и панорамных методов с использованием тонких покрытий. Эти способы широко используются и позволяют исследовать особенности теплообмена (В.Я. Боровой, И.В. Егоров, В.Е. Мошаров, А.С. Скуратов, В.Н. Радченко. Экстремальный нагрев тел в гиперзвуковом потоке - М.: Наука, 2018-390 с, стр. 354-368).
Недостатками вышеперечисленных способов являются:
1) при больших сверхзвуковых скоростях тепловой поток зависит не только от особенностей обтекания, но и, в значительной степени, от свойств материала модели;
2) ограничение в определении теплового потока к элементам конструкции и образцам материалов при больших сверхзвуковых скоростях и высоких тепловых потоках.
За прототип принят способ определения нестационарного теплового потока, сущность которого заключается в измерении средней по площади температуры приемной и обратной поверхностей тепломера и температуры в точках его боковой поверхности (патент RU № 2551836 С1 «Способ определения нестационарного теплового потока», МПК G01K 17/08, дата публикации 27.05.2015 г.).
Недостатками известного способа являются:
1) измерение теплового потока к материалу тепломера, а не к испытываемому образцу материала или элементу конструкции летательного аппарата.
2) ограничение применения при высокотемпературных испытаниях.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка способа определения теплового потока к образцам материалов и элементам конструкций летательных аппаратов при высокотемпературных испытаниях и высоких тепловых потоках. Дополнительным техническим результатом является повышение точности определения теплового потока.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что способ определения теплового потока заключается в измерении температуры поверхности объекта, включая измерение средней по площади температуры приемной и обратной поверхности, причем объект теплоизолируют, устанавливая его на тонком стержне из теплоизоляционного материала, получают распределение яркостной температуры, разбивая каждую поверхность объекта на микроскопические участки и определяя распределение яркостной температуры для всех микроскопических участков поверхности объекта, и затем определяют тепловой поток как сумму тепловых потоков микроскопических участков:
Q - тепловой поток к объекту;
i - номер микроскопического участка;
N - количество микроскопических участков;
i
Q - тепловой поток к i-му микроскопическому участку;
-12
2
4
σ - постоянная Стефана-Больцмана, σ=5.67×10 Вт/см К;
i
T - яркостная температура i-го микроскопического участка;
i
S - площадь i-го микроскопического участка.
Краткое описание фигур:
На фигуре 1 показан эскиз объекта исследования (образца),
На фигуре 2 - эскиз конической державки из графита,
На фигуре 3 - модель для исследования в собранном виде,
На фигуре 4 - схема устройства для определения теплового потока с помощью предлагаемого способа,
На фигуре 5 - фото исследования,
На фигуре 6 - график временной зависимости основных параметров исследования.
На фиг. 1 показан исследуемый объект, выполненный из высокотемпературных материалов в виде диска (вид в разрезе), где 1 - приемная, 2 - обратная сторона объекта, 3 - углубление для установки переднего конца теплоизолирующего стержня.
На фиг. 2 приведен эскиз конической державки из графита с противоокислительным термостойким покрытием (вид в разрезе), где 4 - выточка для установки заднего конца стержня, 5 - выточка для державки аэродинамической трубы.
На фиг. 3 приведена модель для исследования в собранном виде, где 6 - исследуемый объект; 7 - стержень, соединяющий объект с конической державкой; 8 - коническая державка из графита, покрытая противоокислительным термостойким покрытием.
На фиг. 4 приведена схема устройства для определения теплового потока с помощью предлагаемого способа, где 6 - исследуемый объект, 7 -стержень, 8 - коническая державка, 9 - державка аэродинамической трубы, 10 - сопло, 11 - подогреватель, 12 - координатное устройство, 13 - пирометр №1, 14 - пирометр №2, 15, 16 и 17 - оптические окна рабочей части аэродинамической трубы, 18 - зеркало, 19 - собирающая линза и спектрометр. Используемая конструкция объекта исследований позволяет измерить распределение яркостной температуры Т на всей поверхности объекта и стержня с помощью двух яркостных пирометров 13 и 14 и зеркала 18 (фигура 4).
На фиг. 5 приведено фото исследований, где 10 - сопло; 6 -исследуемый объект; 8 - коническая державка из графита; 9 - державка аэродинамической трубы.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Производят сборку модели. Исследуемый объект 6 (фигура 1, 2 и 3) устанавливают на тонком стержне 7 (фигура 3) из высокотемпературного теплоизоляционного материала (например, корунда, карбонитрида бора или высокотемпературных оксидов), который вставляют в углубление 3 (фигура 1), выполненное в центре объекта с тыльной стороны. Второй конец стержня 7 (фигура 3) вставляют в выточку 4 конической державки 8 из графита (фигура 2).
С помощью координатного устройства 12 подготовленный объект 6 устанавливают в рабочей камере аэродинамической трубы на оси симметрии сопла 10 на заданном расстоянии от его выходного сечения (фигура 5).
При проведении исследования каждые 2 секунды производят измерения яркостной температуры в центре передней поверхности объекта оптическими методами. Регистрируют зависимость яркостной температуры объекта от времени. Через 40-400 секунд после начала исследования объект нагревается до стационарной температуры, когда поступающий к образцу в результате теплопередачи тепловой поток становится равен излучаемому образцом тепловому потоку. Теплоотвод через стержень, составляющий ≈ 1%, учитывают, добавив излучение стержня к излучению объекта.
2
Типичное исследование с использованием предлагаемого способа показано на фигуре 5 (фото). На фигуре 6 приведен график временной зависимости основных параметров исследования, где приведены - яркостная температура приемной стороны объекта; яркостная температура обратной стороны объекта; давление торможения, 36.6 кПа; мощность подогревателя, 220 кВт. Видно (фигура 6), что при постоянном режиме нагревания температура приемной поверхности объекта медленно увеличивается. Достигнув значения 2055 К, яркостная температура приемной поверхности быстро возрастает до 2900 К. Это связано с образованием на поверхности объекта термобарьерной пленки, имеющей высокую каталитическую активность. В испытании определение теплового потока было выполнено 5 раз на 100, 315, 551, 671 и 798 секундах. Объект отодвигался от сопла, расстояние от среза сопла составляло соответственно 56, 56, 60, 65, 70 мм. Определены тепловые потоки к приемной, обратной и боковой сторонам объекта. При этом плотность теплового потока на приемной стороне возросла в 2.6 раза с 711 до 1845 Вт/см.
i
i
i
Для определения теплового потока к объекту исследований измеряют распределение яркостной температуры Т на всей поверхности объекта и стержня. Один яркостной пирометр 13 (фиг. 4) измеряет распределение яркостной температуры на приемной поверхности и через зеркало 18 на обратной поверхности объекта. С помощью второго яркостного пирометра 14 измеряют распределение яркостной температуры на боковой поверхности объекта и на стержне. Разбивают поверхность объекта на N микроскопических участков площадью S. с температурой T и определяют тепловой поток к объекту Q как сумму тепловых потоков ко всем таким площадкам S. В общем случае тепловой поток к объекту равен
Q - тепловой поток к объекту;
i - номер микроскопического участка;
N - количество микроскопических участков;
i
Q - тепловой поток к i-му микроскопическому участку;
-12
2
4
σ - постоянная Стефана-Больцмана, σ=5.67×10 Вт/см К;
i
T - яркостная температура i-го микроскопического участка;
i
S - площадь i-го микроскопического участка.
Спектральную температуру и излучательную способность определяют по спектру теплового излучения объекта, регистрируемого с помощью спектрографа. Значения излучательной способности и яркостной температуры позволяют определить температуру объекта.
i
п
о
б
2
В качестве площадки S удобно использовать пиксель. Площадь пикселя ~ 0.1 мм. Разбиение на пиксели при определении теплового потока происходит автоматически. Малый размер пикселя позволяет повысить точность определения теплового потока и использовать среднее значение температуры площадки. В качестве примера приведем выражение для теплового потока к объекту в виде диска с площадью приемной, обратной и боковой поверхности и стержня соответственно S, S и S.
Здесь используются обозначения формулы (1) и дополнительные:
Q - тепловой поток к объекту;
п
Q - тепловой поток к приемной поверхности объекта исследований;
о
Q - тепловой поток к обратной поверхности объекта исследований;
б
Q - тепловой поток к боковой поверхности объекта исследований и стержню;
п
N - количество микроскопических участков приемной поверхности;
о
N - количество микроскопических участков обратной поверхности;
б
N - количество микроскопических участков боковой поверхности и стержня;
4
iп
T - яркостная температура i-го микроскопического участка приемной поверхности;
4
iо
T - яркостная температура i-го микроскопического участка обратной поверхности;
4
iб
Т - яркостная температура i-го микроскопического участка боковой поверхности и стержня.
Распределение яркостной температуры объекта измеряют двумя пирометрами 13 и 14 на базе цифровых камер с ПЗС-матрицей (ПЗС - прибор с зарядовой связью). Спектральную температуру и излучательную способность определяют по спектру теплового излучения объекта, регистрируемого с помощью спектрографа. Значения излучательной способности и яркостной температуры позволяют определить термодинамическую температуру объекта.
2
Использование предлагаемого способа определения теплового потока к объекту высокотемпературных испытаний позволило провести исследования шестидесяти образцов новых материалов (в виде дисков, затупленных конусов, пластин, полусфер) и 3 элементов конструкции высокоскоростных летательных аппаратов с тонкими кромками при температурах до 3500 К, определить тепловой поток к образцам материалов и элементам конструкции, их каталитическую активность. Исследования в плазменной аэродинамической трубе, позволяющее моделировать условия полета высокоскоростных летательных аппаратов, показали, что тепловой поток к разным материалам может отличаться до 4 раз за счет каталитических свойств материалов и достигать огромных значений ~500 Вт/см.