| 高速气流下金属板激光辐照热考核缩比试验设计方法 | |
崔悦; 王睿星; 马特; 宋宏伟
| |
| 2024-09-06 | |
| Rights Holder | 中国科学院力学研究所 |
| Abstract | 本发明提供了一种高速气流下金属板激光辐照热考核缩比试验设计方法，其包括:(1)基于相似理论和量纲分析法推导出金属板在高速气流和激光辐照下的相似准则；(2)判断地面试验环境温度是否可复现真实高空飞行环境温度；(3)结合试验的实际情况，选择相应合理的缩比策略及尺度律；(4)根据尺度律调整环境参数的比例因子,进行缩比模型的热考核试验；(5)基于相似变换及数值修正,通过缩比模型试验结果预测原模型结果，获得真实结构的热响应特性。本发明实现了高速气流与激光联合作用下金属平板热考核试验设计，通过缩比模型试验代替原型试验，具有较大的灵活度，可为地面气流条件下的激光辐照热考核试验提供可靠的指导及基础性支撑。 |
| Application Date | 2023-10-13 |
| Application Number | CN202311330200.9 |
| Patent Number | CN117350054B |
| Claim | 1.一种高速气流下金属板激光辐照热考核缩比试验设计方法，其特征在于，主要包括以下步骤: 1)对流-热耦合问题控制方程无量纲化，基于相似理论和量纲分析法推导出金属板在高速气流和激光辐照下的相似准则； 2)判断地面试验环境温度是否可复现真实高空飞行环境温度； 3)结合试验的实际情况，选择相应合理的缩比策略及尺度律，设定原模型和缩比模型之间几何尺寸的比例因子； 4)根据尺度律调整环境参数的比例因子,进行缩比模型的热考核试验； 5)基于相似变换及数值修正,通过缩比模型试验结果预测原模型结果，获得真实结构的热响应特性； 所述步骤1)中高速气流条件下金属板激光辐照热响应特性的相似准则包括流场的相似准则和瞬态结构传热的相似准则； 所述流场的相似准则包括马赫数雷诺数及普朗特数所述瞬态结构传热的相似准包括傅里叶数激光辐照数毕渥数其中，v0、Tf0、ρf0、kf0、cp0、μ0、γ、R分别为远场来流的速度、温度、密度、导热率、恒压比热、动力粘度、比热比和普适气体常数，Ts0、ks0、ρs0、cs0、χ0、Q0分别为初始时刻的结构温度、热传导系数、密度、比热、激光吸收系数和激光功率密度，l0、ts0分别为结构特征长度及作用时间，A、m及n为由实验数据确定的常数； 所述步骤2)中判断地面试验环境是否可复现真实模型所处的高空飞行环境的具体判断步骤如下： 2.1)若地面试验可复现真实高空飞行环境温度，则建立温度比例因子KT＝1即缩比模型与原模型温度场相同下的缩比策略及简化后的相似准则,并基于该简化后的相似准则，构建温度比例因子KT＝1即缩比模型与原模型温度场相同下相关物理参数的尺度律； 2.2)若判断地面试验环境温度无法复现真实高空飞行环境温度，则建立温度比例因子KT≠1即缩比模型与原模型温度场不同下的缩比策略及简化后的相似准则，并基于该简化后的相似准则，构建温度比例因子KT≠1即缩比模型与原模型温度场不同下相关物理参数的尺度律； 2.3)修正缩比模型的材料属性，并基于真实及修正的材料属性分别进行数值分析，以获得材料属性所带来的误差； 所述步骤2.1)和步骤2.2)中，温度比例因子KT为缩比模型与原模型之间温度的比值，即其中，下标c、r分别为缩比模型及原模型； 所述步骤2.1)中简化后的相似准则是基于缩比模型的流场、结构温度场与原模型相同以及缩比模型的气体种类、结构材料也与原模型相同的前提下，忽略普朗特数Pr、毕渥数Bi并将马赫数Ma简化为v0、将雷诺数Re简化为ρf0v0l0、将傅里叶数Fo简化为及将激光辐照数Lr简化为Q0l0后得到的； 所述步骤2.1)中，基于简化后的相似准则，当金属板和激光光斑尺寸按几何比例因子缩放时，即其中，下标c、r分别为缩比模型及原模型，获得的尺度律为：缩比模型的来流密度、激光功率密度及激光作用时间分别缩放为原模型的及倍；通过风洞控制气流参数、激光器控制激光参数，即可完成金属平板受高速气流和激光联合作用下的缩比模型热考核试验，实现缩比模型的热响应与原模型一致； 所述步骤2.2)中简化后的相似准则是基于缩比模型中气体和固体材料与原模型相同并忽略掉材料属性的前提下，忽略普朗特数Pr、毕渥数Bi并将马赫数Ma简化为将雷诺数Re简化为ρf0v0l0、将傅里叶数Fo简化为将激光辐照数Lr简化为后得到的； 所述步骤2.2)中基于简化后的相似准则，当金属板和激光光斑尺寸按几何比例因子缩放时，即其中，下标c、r分别为缩比模型及原模型，获得的尺度律为：缩比模型的来流速度、来流密度分别缩放为原模型的倍，而缩比模型的激光功率密度、激光作用时间分别缩放为原模型的倍，实现缩比模型的热响应为原模型的KT倍； 所述步骤2.2)中缩比模型的温度场与原模型不同，即假设原模型的真实飞行高度为Hr千米，而地面热考核试验可复现的飞行高度为Hc千米，缩比模型的温度场为原模型的KT倍； 所述步骤2.3)中材料属性所带来的误差为真实的材料属性数值仿真结果与修正的材料属性数值仿真结果的差值；且所述材料属性误差的修正过程为： 2.3.1)对于原模型的任何温度相关材料属性，可以表示为： mpr＝mpr(Tr) (2)； 上式(2)中，mpr代表任何与温度相关的材料属性，Tr是相应的气体/固体温度； 2.3.2)为保证流-热耦合分析中的严格相似性，即使KT≠1，缩比模型中材料属性的变化也应与真实模型相同；对于数值分析中的缩比模型，材料属性修正如下： 上式(3)中，mpc代表修正后的材料属性； 2.3.3)基于真实和修正的材料属性进行数值分析，误差可表示为： es＝s(mpc)-s(mp) (4)； 上式(4)中，es代表误差，s代表通过数值分析获得的响应； 2.3.4)在实际工程热考核中，原模型的流-热耦合响应表达如下： 上式(5)中，sr代表原模型的响应，sc代表缩比模型的响应； 所述步骤3)和步骤4)是结合选择的缩比策略及尺度律，根据原模型与地面热考核试验的温度比例因子KT、缩比模型与原模型的几何比例因子，调整地面考核试验环境参数，建立一个可实现的地面热考核试验环境，获得缩比模型的热响应； 所述步骤5)中是基于温度比例因子KT，即缩比模型的热响应为原模型的KT倍，以及误差修正方法，根据地面热考核试验中缩比模型的热响应结果，获得原模型的热响应特性。 |
| Language | 中文 |
| Classification | 发明授权 |
| Status | 有效 |
| Note | 授权 |
| Country | 中国 |
| Agency | 北京和信华成知识产权代理事务所(普通合伙) |
| Document Type | 专利 |
| Identifier | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/97349 |
| Collection | 高温气体动力学国家重点实验室 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 崔悦,王睿星,马特,等. 高速气流下金属板激光辐照热考核缩比试验设计方法. CN117350054B[P]. 2024-09-06. |
| Files in This Item: | Download All | |||||
| File Name/Size | DocType | Version | Access | License | ||
| Pt2024F042.pdf（3262KB） | 专利 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Download | ||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment