7. Методика определения конвективных тепловых потоков

При лётных тепловых исследованиях на ЛМ наряду с измерением температурных полей элементов конструкции ЛА возникает необходимость изучения процессов теплообмена между высокоскоростным воздушным потоком в пограничном слое и поверхностью аппарата, т.е.экспериментального определения коэффициента или конвективного теплового потока в условиях, как правило, неустановившегося теплового режима.

Одним из способов определения конвективного теплового потока является применение различного рода вставок, устанавливаемых заподлицо с наружной поверхностью обшивки модели. Вставки могут иметь различную конструкцию.

На рис. 6 показан один из возможных вариантов конструкции датчика конвективного теплового потока. В целях уменьшения методической погрешности измерений теплоприемник датчика теплового потока должен удовлетворять следующим требованиям:

толщина и материал теплоприемника должны выбираться из условия примерного равенства температур поверхности теплоприемника и окружающей обшивки;

число Био для выбранного теплоприемника и условий летного эксперимента должен быть достаточно малым, т.е.

,

где - коэффициент теплообмена; - толщина стенки теплоприемника; - теплопроводность материала теплоприемника.

Определение теплового потока существенно упрощается, если удастся обеспечить равномерное поле температур в теплоприемнике. В этом случае удельный тепловой поток к поверхности теплоприемника определяется по формуле

, (14)

где с, p – теплоемкость и плотность материала теплоприемника ; - коэффициент излучения абсолютно черного тела; - коэффициент степени черноты поверхности; T - температура наружной поверхности теплоприемника; - скорость изменения температуры наружной поверхности теплоприемника.

При выполнении указанных требований измерение температуры наружной поверхности можно заменить измерением ее в любой точке теплоприемника, так как при малых числах Био температура и скорость изменения ее в любой точке теплоприемника практически постоянны.

Таким образом, при применении калориметрического датчика теплового потока в полете необходимо измерять температуру теплоприемника и знать зависимость коэффициента степени черноты поверхности теплоприемника от температуры.

В частном случае, когда удается обеспечить постоянное значение температуры теплоприемника, калориметрический датчик становится датчиком равновесного теплового потока.

, (15)

Для измерения значений конвективного теплового потока в полете применяются датчики теплового потока типа Гардона . Этот датчик представляет собой теплоприемник в виде тонкого диска, соединенного по периферии с мощным теплопоглощающим устройством. Его принцип действия основан на создании перепада температур между центром т краем диска.

Тепловой поток определяют по аналитической или экспериментальной зависимости его от выходного сигнала дифференциальной термопары, пропорционально перепаду температур между центром и краем диска. При применении датчиков рассматриваемого типа необходимо оценивать погрешность, обусловленную искажением теплового пограничного слоя в месте установки датчика и отводом тепла по термоэлектродам центральной термопары.

Благодаря достигнутым в последние годы успехам в разработке численных методов решений обратных задач теплопроводности для определения конвективных тепловых потоков в летных условиях применяются результаты измерений температуры наружной поверхности и внутри стенки (обшивки). Температуру обшивки из материалов с низкой температуропроводностью можно измерить с помощью датчиков профиля температуры. Датчик представляет собой цилиндрическую пробку из материала с хорошо изученными теплофизическими характеристиками, на наружной поверхности и на определенных расстояниях от поверхности которой установлены термопары. Точное расположение термопар контролируют путем рентгеноскопии.

Метод определения конвективного теплового потока, поступающего к обшивке, по температуре обшивки сводится к определению теплового потока, излучаемого обшивкой, и теплового потока, поступающего в обшивку. В этом случае

, (16)

Где - удельный тепловой поток, поступающий в обшивку.

Определение теплового потока по измеренной температуре наружной поверхности обшивки по существу представляет собой задачу пересчета граничных условий.

В общем случае для определения конвективного теплового потока по результатам измерения температуры внутри стенки используется метод численного решения уравнения теплопроводности, описывающего процесс распространения тепла в датчике и окружающей стенке. Численное решение сводится к поиску граничного условия (управляющего параметра) по методу оптимального управления. Суть решения заключается в том, что в каждый расчетный момент времени ищется управляющий параметр (граничное условие) в виде удельного теплового потока или коэффициента теплообмена из условия определенной согласованности измеренной и расчетной температуры теплоприемника .

В отдельных случаях, когда условия теплопередачи на исследуемой поверхности удовлетворяют условиям полуограниченного тела, для оперативного определения теплового потока по измеренной температуре поверхности могут быть использованы простые расчетные зависимости, приведенные в работе .

Эти частные случаи реализуются на практике тогда, когда продолжительность процесса нагрева мала, а теплозащитная обшивка имеет значительную толщину или изготовлена из материала с малой температуропроводностью. Эти требования в общем случае описываются с помощью критерия Фурье.

,

где - коэффициент температуропроводности; - время; - тощина обшивки.

Полученные в летном эксперименте на моделях вышерассмотренными методами значения тепловых потоков или коэффициентов теплообмена нельзя механически перенести на процессы, протекающие на натурном изделии, так как они справедливы только для модели. Поэтому всегда возникает задача о применении результатов летных тепловых испытаний к натуре.

Классический подход к решению данной задачи заключается в обобщении опытных данных в виде критериального уравнения, описывающего взаимосвязь между определяемыми и определяющими критериями подобия. Однако подобный подход в полной мере в большинстве случаев не удается реализовать из-за ограниченного числа варьируемых определяющих критериев.

Для тел сложной аэродинамической формы возможно применение для натуры опытных данных, представленных в каждой точке в виде отношения местного теплового потока к тепловому потоку в критической точке при ламинарном или турбулентном режиме обтекания. Причем для определения нормирующего значения теплового потока в каждый момент времени используется любая известная теоретическая или эмпирическая зависимость, наиболее точно описывающая теплообмен в критической точке в исследуемых условиях.

Помимо указанного способа, перенос данных летного модельного эксперимента на натуру косвенно может осуществляться путем уточнения математической модели, описывающей процесс теплообмена на ЛА рассматриваемой конфигурации, при сравнении показателей, рассчитываемых с ее помощью и непосредственно определяемых в эксперименте. В качестве таких показателей используют температуры, тепловые потоки или коэффициенты теплообмена в характерных точках поверхности.