金属纤维表面燃烧结构热试验方法及装置与流程

[0001]
本发明涉及热试验技术领域，尤其涉及一种基于金属纤维表面燃烧的结构热试验方法及装置。


背景技术：

[0002]
随着航天技术的发展，高超声速飞行器成为各航天大国的重要发展方向。这类飞行器在飞行过程中会经受高超声速气流带来的热载荷作用，为确保飞行器的安全，并使飞行器内部保持在可允许的温度和压力范围内，必须采用热防护结构。这类飞行器前缘、翼舵结构、进气道、喷管等关键部位采用复杂型面设计，在高超声速飞行过程中表面热载荷分布梯度大，且往往尺寸较大，同时由于其飞行过程中往往要进行机动或超机动变轨，热载荷具有冲击率高、非线性强的特点。这种极端工况使得地面试验准确模拟气动热环境变得非常困难。
[0003]
多年来，国内外已发展各类以辐射或对流方式作为热源模拟气动热的地面试验系统，如石英灯加热设备、电弧风洞、高温燃气风洞等。然而，针对上述复杂结构气动热模拟的新需求，传统热试验方法存在很多不足。例如，目前的试验系统难以兼具表面大梯度热流分布模拟能力以及高冲击率非线性时变热流模拟能力。从传统的试验方法来看，高温风洞多采用台阶式热功率升降方式实现非稳态的热环境模拟，因而难于准确模拟快速变化的复杂非线性热环境历程；而石英灯等辐射加热设备虽然控制电控性能优良，可实现高冲击率非线性时变热流模拟，但难以准确模拟结构表面大梯度热流分布。并且，受限于试验系统安装形式，目前的系统难以适应大尺寸复杂结构表面热流加载。传统高温风洞试件尺寸有限，难以实现部组件全尺寸模拟；而石英灯等辐射加热设备通过分区安装，其难以适应复杂气动外形。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种能够适应试件复杂外形的金属纤维表面燃烧结构热试验方法及装置。
[0005]
为实现上述发明目的，本发明提供一种金属纤维表面燃烧结构热试验方法，包括以下步骤：
[0006]
a.将燃气与气体助燃剂混合形成混合气体，使混合气体沿至少一条气路输送；
[0007]
b.在气路末端点燃混合气体，并使燃烧火焰穿过附着体，所述附着体的至少一个表面的各个点与试件受热表面的各个点对应，从而使燃烧形成的燃气喷射到试件受热表面，对受热表面进行加热；
[0008]
c.实时测量各气路对应的试件受热表面的热载荷参数，根据所述热载荷参数实时控制对应气路中混合气体的流量。
[0009]
根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，利用由金属纤维编织而成的多孔结构作为混合气体燃烧火焰的附着体。
[0010]
根据本发明的一个方面，在所述步骤(c)中，设置各个时间段的各气路对应的试件受热表面的热载荷参数阈值，当测量的热载荷参数超过阈值时，减小对应气路中的混合气体流量。
[0011]
根据本发明的一个方面，在所述步骤(c)中，所述热载荷参数包括温度或表面热流。
[0012]
金属纤维表面燃烧结构热试验装置，包括：燃气供应系统、助燃剂供应系统、燃烧系统、测量系统和控制系统，所述燃烧系统包括点火器，所述燃烧系统还包括附着体,所述附着体的至少一个表面与试件受热表面平行或近似平行。
[0013]
根据本发明的一个方面，所述附着体为由金属纤维编织而成的多孔结构，其与试件受热表面平行或近似平行的表面形状为圆柱面、曲面或平面。
[0014]
根据本发明的一个方面，所述燃烧系统还包括过渡管，所述过渡管包括主干管和与所述主干管的出口端连接的至少一条分支管；
[0015]
所述附着体与所述过渡管的分支管的出口端联通。
[0016]
根据本发明的一个方面，所述燃烧系统还包括比例阀和混合器；
[0017]
所述比例阀位于所述过渡管的主干管入口端且分别与所述燃气供应系统和所述助燃剂供应系统连接；
[0018]
所述混合器设置在所述过渡管的主干管上。
[0019]
根据本发明的一个方面，所述燃气供应系统包括燃气源以及入口端与所述燃气源连接的燃气供应管；
[0020]
所述燃气供应管上从入口端向着出口端的方向依次设有第一开关阀、第一减压阀、第一压力计、第一流量计和阻火器。第一压力计和第一流量计也可以互换位置。
[0021]
根据本发明的一个方面，所述助燃剂供应系统包括助燃剂气源以及入口端与所述助燃剂气源连接的助燃剂供应管；
[0022]
所述助燃剂供应管上从入口端向着出口端的方向依次设有第二开关阀、第二减压阀、第二压力计、第二流量计和止回阀。第二压力计和第二流量计也可以互换位置。
[0023]
根据本发明的一个方面，所述测量系统包括传感器和数据采集器，所述数据采集器与所述控制系统连接。
[0024]
根据本发明的一个方面，所述控制系统包括计算机和流量控制器，所述计算机与所述测量系统连接；
[0025]
所述流量控制器设置在所述过渡管的分支管上。
[0026]
根据本发明的一个方案，利用由金属纤维编织而成的附着体作为混合气体燃烧火焰的附着物，其柔性的特点使其可以被制成任意形状。从而使得燃烧面能够适应于各种试件的复杂外形。
[0027]
根据本发明的一个方案，将过渡管分为主干管和分支管，分支管设置至少一条，使得混合气体流通的气路可以不止一条，从而可以分别对不同热流梯度要求的试件进行热试验。
[0028]
根据本发明的一个方案，在试件受热表面设置传感器，从而实施测量受热表面的热载荷参数。按照不同时间节点设置各个时间段内的热载荷参数阈值，如果传感器检测的热载荷参数大于阈值时，则经由计算机控制位于分支管上的流量控制器来减小各个分支管
中的混合气体流量；如果传感器检测的热载荷参数小于目标值时，则经由计算机控制位于分支管上的流量控制器来增加各个分支管中的混合气体流量。从而实现每个分支管独立控制，并及时反馈，完成了自动对热载荷目标值的跟踪，实现了高冲击率、强非线性时变热载荷的加载。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1示意性表示本发明的一种实施方式的金属纤维表面燃烧结构热试验装置的示意图；
[0031]
图2和图3是示意性表示本发明的两种实施方式的附着体与试件配合的示意图；
[0032]
图4示意性表示本发明的另一种实施方式的金属纤维表面燃烧结构热试验装置的示意图。
具体实施方式
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
[0035]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
[0036]
本发明的热试验方法可参见图1示出的装置图。本方法中，首先将燃气与助燃剂混合输送。其中，本发明的方法和装置均为了准确模拟气动热环境，因此助燃剂也需为气体，例如氧气或直接使用空气也可。燃气和助燃剂的混合需要按一定比例。混合后的气体沿气路向下游输送，针对一些试件表面存在大梯度的热流分布情况，输送混合气体的气路可以不止一条，例如图4所示。随后在气路的末端点燃混合气体，为了适应试件的复杂外形，本发明为混合气体燃烧的火焰提供了一个附着体。该附着体为由金属纤维编织而成的多孔结构。由此，在其表面形成了微小的类似网孔的结构，混合气体从其孔内穿过并在其表面燃烧形成火焰，实现了类似附着的效果。而由于金属纤维的特殊性质使得该附着体为柔性结构，因此其可以被设计为任何形状，从而能够适应不同的试件形状。当然，无论附着体本身是什么形状，其中至少应有一个表面上的各个点与试件受热表面上的各个点对应，具体也可以理解为附着体的至少一个表面与试件受热表面平行或近似平行，从而使燃烧形成的燃气喷
射到试件受热表面，这样才能保证对其实施有效的加热。
[0037]
本方法中，在加热的过程中实时测量试件受热表面的热载荷参数，并根据这些热载荷参数来实时调整气路中的混合气体流量。具体为，按照不同时间节点分别设定不同时间段内的热载荷参数阈值。本方法中的测量热载荷参数包括温度、表面热流。当测得上述热载荷参数大于其对应的阈值时，控制对应的气路中的气体流量减少；当测得上述热载荷参数小于其对应的阈值时，控制对应的气路中的气体流量增加，由此将热载荷加载量控制在了不同时间段的目标值附近，从而实现高冲击率、强非线性时变热载荷的加载。
[0038]
继续参见图1，本发明的金属纤维表面燃烧结构热试验装置包括燃气供应系统1、助燃剂供应系统2、燃烧系统3、测量系统4和控制系统5。燃气供应系统1包括一根燃气供应管12，该管的入口端连接燃气源11。燃气供应管12的管体上从入口端至出口端的方向依次设有第一开关阀13、第一减压阀14、第一压力计15、第一流量计16和阻火器17。其中，第一开关阀13为手阀。第一压力计15和第一流量计16也可以互换位置。由此燃气供应系统1构成了一条燃气供应的气路，为后续热试验提供指定流量的燃气。
[0039]
助燃剂供应系统2包括一条助燃剂供应管22，该管的入口端连接助燃剂气源21。助燃剂供应管22的管体上从入口端向着出口端的方向依次设有第二开关阀23、第二减压阀24、第二压力计25、第二流量计26和止回阀27。依照上述关于本发明方法的描述，本发明的装置所使用的助燃剂为氧气或空气，因此助燃剂气源21可以为氧气瓶或空气泵。第二压力计25和第二流量计26也可以互换位置。由此，助燃剂供应系统2也构成了一条可以为后续热试验提供指定流量的助燃剂的气路。
[0040]
上述燃气供应系统1和助燃剂供应系统2提供了燃气和气体助燃剂，这两种气体在燃烧系统3中混合并燃烧。具体的，燃烧系统3包括过渡管34，其上游为主干管34a，下游为分支管34b。其中，主干管34a的入口端(即左端)设置比例阀33，管体上设置混合器35。如图1所示，比例阀33同时连接了燃气供应系统1中的燃气供应管12和助燃剂供应系统2中的助燃剂供应管22，其作用为使燃气和助燃剂按一定比例进入燃烧系统3。而混合器35则是为了使燃气和助燃剂在有限空间内混合，以便后续的点燃。由于本装置需要对混合气体进行点燃，因此本发明设置了点火器31，点火器31设置在过渡管34的末端，在整个系统开机时点火器31启动，点火后自动关闭。这一步骤可以由自动化程序实现，也可由人工操作。除此之外，在分支管34b的出口端还设有附着体32，以便为混合气体的燃烧火焰提供附着，使其面型能够适应试件受热表面的面型。在这种实施方式中，由于仅存在一根分支管34b，因此也可以理解为过渡管34为一根完整的管，而无需区分其主干和分支部分。
[0041]
具体的，附着体32为由金属纤维编织而成的多孔结构，这种结构能够作为火焰附着体的原理性内容已在上述方法中详细介绍，因此此处不再赘述。利用其金属纤维结构特有的柔性特点，其可以被制作为任意形状。而之所以采用多孔结构，目的是为了联通分支管34b，从而接收其输送的混合气体。参见图1-图3，图1中的试件a为平板形，因此附着体32也为平板形状。因此，安装时使其右侧平面与试件a的受热表面平行。图2中的试件a为圆筒形，其受热面为内侧壁，因此附着体32的形状为圆柱，安装时二者形成嵌套安装，目的同样是为了使二者的两个圆柱面平行。图3中的试件a为曲板，其受热表面为规则或不规则的曲面。因此附着体32也为曲板，安装时使其右侧曲面与试件a的受热曲面平行。如果试件a的受热表面曲面形状过于复杂，附着体32的曲面形状可以进行一定程度的简化，与a的受热曲面近似
平行即可，如此既降低了附着体32的加工成本，又不影响加热效果。上述实施例在安装时，附着体32与试件a之间应保证适当的距离，当然二者越近越好，但也要避免火焰的内焰与试件a接触而造成加热效果减弱和热流不稳定，同时避免安装过程产生碰撞。由于附着体32的边缘处可能靠近空气会产生热量损失，因此附着体32的尺寸也应进行适当设计，以保证其传递给试件a受热表面的热量均匀。具体可以将其对应表面的面积设为大于或等于试件受热表面的面积，即，附着体32向着试件a的投影最好能够完全覆盖其受热表面，使得与空气接触的边缘位置的热量损失不会影响热试验。上述实施例中，试件a的受热表面的面型单一，因此附着体32上的一个表面与其受热表面平行即可。但如果试件a的受热表面的面型复杂，那么按照本发明的构思，可以使附着体32上的多个表面与受热表面平行或近似平行，但这种方式适用于试件受热表面为复杂面型但无热流梯度分布要求的情况。此外，图1-图3所示出的实施方式中，附着体32的形状分别为平板、圆柱体和曲板。但是，根据本发明的构思，附着体与试件的对应关系最重要的是面与面之间的对应。本发明中，定义两表面平行或近似平行即为两表面各个点对应，因此只要附着体32上的至少一个表面能够平行或近似平行于试件受热表面即可，具体附着体32的形状可根据实际使用情况另行设计(上述关于附着体32描述中的“板”字样含义均为多孔的板件)。
[0042]
继续参见图1，测量系统4包括传感器41和数据采集器42，其中，传感器41设置在试件a的受热表面上，实时检测其上的热载荷参数。传感器41为广义概念，其并非特指某种传感器，本发明中需要检测的热载荷参数包括温度、表面热流等信息。因此应选择适当的传感元器件作为本发明的传感器41来分别检测这些热载荷参数。传感器41采集到的信息经由数据采集器42传递给控制系统5。控制系统5包括计算机51和流量控制器52，计算机51与数据采集器42连接，接收其传递的实时信息。流量控制器52设置在过渡管34的分支管34b，并受计算机51控制来实时调节分支管34b中的混合气体流量。具体调节方式如上述方法描述中所述，可按照不同的时间节点设置相应的热载荷参数阈值，当传感器41检测到表面热载荷参数大于或小于阈值时，则计算机51控制流量控制器52调节分支管34b内部的流量，流量的变化同时导致了温度和载荷的变化，从而实现调节燃气热载荷的功能。如此，测量系统4和控制系统5共同作用形成了自动跟踪预设的热载荷目标值(即阈值)的作用，实现高冲击率、强非线性时变热载荷的加载。
[0043]
图1-图3所示的实施例均为试件a表面无热流梯度分布的情况。而图4示出了试件a受热表面存在三个热流梯度区域要求的实施方式，这三个梯度区域在图4中以虚线矩形示出。由于热流分布与试件形状无明显关联，因此图4中以平板形状的试件a为例说明，由此也可以理解为试件a上存在三个受热表面，且均为平面。在这种实施方式中，本发明的过渡管34中的分支管34b的数量也为三根，即对应于每个热流梯度分布区域，分别为其进行加热。当然，每根分支管34b末端对应设置一个附着体32。相应的，在每个分布区上分别设置传感器41，当然这仅为图4的实施方式，如果技术条件允许，也可设置一个传感器来分别测量三个梯度区域的表面热载荷参数。另外，由于存在三根分支管34b，并且每根分支管34b对应的分布区域的热流需求不同，因此需在每根分支管34b上各设置一个流量控制器52，来实现分别控制各分支管34b中的气体流量。每根分支管34b的控制方式按照上述图1实施方式控制即可，并且不同分支管34b的时间节点可以不同。由此，各个分支管34b按照各自预设的热载荷目标值进行独立控制，互不干扰，使得本装置实现了适应试件a表面存在热流梯度分布的
情况。当然，图4所示的实施方式中的试件a为平板，因此各分支管34b末端的附着体32也为平板。但如果试件a表面形状不规则，且热流梯度分布的区域也不规则时，可将对应位置的附着体32的形状设计为与之对应即可。
[0044]
综合上述，本发明的方法及装置利用由金属纤维编织而成的附着体为混合气体燃烧火焰提供附着，其柔性的特点使得其可以适应于任何试件受热表面的面型，实现了全尺寸的热试验。而设置分支管的方式也使得本方法及装置的气路可以不止一条，因此可以对表面热流梯度较大的试件进行热试验。上述两点使得本方法及装置可以对高速飞行器防隔热材料、防隔热结构部组件以及整机，尤其是表面热载荷分布梯度大、冲击率高、非线性强的大尺寸复杂结构，进行精准的热试验及力热耦合试验。
[0045]
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。