壁面熱流高溫壁面熱流與溫度一體化測量傳感器研究

壁面熱流研究背景

在超燃沖壓發(fā)動機及其熱防護系統(tǒng)的設(shè)計工作中，燃燒室的壁面熱流分布、壁溫分布與燃氣總溫等熱環(huán)境參數(shù)是極其重要的參數(shù)。超燃沖壓發(fā)動機實驗涉及的高焓高速氣流馬赫數(shù)一般在2.0以上，燃燒后的氣流總溫可達2800K以上，壁面熱流密度在0.4～5.0MW/m²之間，而且高溫燃氣富含氧氣，對探針材料有很強的燒蝕作用，常規(guī)測量手段難以在這樣的環(huán)境中長時間工作。因此，迫切需要發(fā)展具有針對性的測量手段。由于理論、方法、材料技術(shù)、工藝水平、設(shè)備等多方面的原因，中國有關(guān)超燃沖壓發(fā)動機熱環(huán)境的測量技術(shù)并不完善，測量誤差較大，還不能滿足熱環(huán)境深入研究的要求。并且，高溫測量技術(shù)相對發(fā)達的國家也沒有很好解決這一問題。例如， 美國針對超聲速燃燒室壁面熱流測量的誤差在20%左右，而澳大利亞的Hyshot飛行演示中，燃燒室壁面熱流測量的誤差超過50%。

針對以上問題，在Gardon熱流計基礎(chǔ)上，通 過結(jié)構(gòu)熱阻分析，發(fā)展了一套可用于超聲速燃燒室內(nèi)壁面熱流/溫度同步測量的傳感器技術(shù)。該傳感器采用水冷卻設(shè)計，響應(yīng)時間達到3～5s，最大可測熱流在2MW/m²以上。而且在來流馬赫數(shù)2～3、總溫1600K以上、 總壓1～2MPa的超聲速燃燒氣流中可以長時間穩(wěn)定工作。

壁面熱流熱流測量原理與改進

常規(guī)的熱流測量采用的是Gardon熱流計，是Robert Gardon在1952年發(fā)展的一種用來測量輻射熱流的裝置。熱流計主要由圓形銅鎳合金（康銅）薄片、銅熱沉和中心銅導(dǎo)線等部分組成，如圖2所示。

超燃沖壓發(fā)動機的燃燒室中，熱環(huán)境非常惡劣：高溫、大熱流、長時間工作，對于常規(guī)的Gardon熱流計，存在著無法正常工作甚至燒毀的危險。因此，需要對其進行適當(dāng)改進，增大熱流計的量程與生存能力。

壁面熱流測量結(jié)果

針對超燃沖壓發(fā)動機燃燒室熱環(huán)境測量的要求，發(fā)展了一套高溫壁面熱流/溫度一體化測量技術(shù)。提出了基于一維熱阻匹配分析的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的新方法，可以針對靈敏度與響應(yīng)時間的實際需求，靈活設(shè)計與優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)、水冷卻結(jié)構(gòu)、金屬外殼和陶瓷隔熱層，大幅提高了傳感器的生存能力。提出了通過熱流和探針基體溫度的同步測量間接獲得傳感器頭部溫度的新方法。采用輻射加熱方式，對傳感器進行了標(biāo)定，獲得了線性度較好的熱流/電壓、壁溫/電壓標(biāo)定曲線。利用該技術(shù)，在長時間超燃實驗臺上進行了初步測量。結(jié)果表明：熱流計的響應(yīng)時間在5s左右，量程達到200W/cm²，生存能力較強，可以在高焓高速氣流中多次重復(fù)使用，基本滿足超燃沖壓發(fā)動機熱環(huán)境測量的需要。但是，由于傳感器的主要材料為銅，與燃燒室的不銹鋼材料不同，長時間測量時，傳感器頭部表面溫度與周圍燃燒室的表面溫度有差別，會給熱流測量數(shù)據(jù)帶來一定的誤差，具體的誤差修正仍需要進一步的研究。

熱流密度的傳統(tǒng)測量方法是應(yīng)用熱傳導(dǎo)的傅里葉定律 q =-λ ( ΔT/Δx)，這種方法的缺陷是在實際測量時很

難做到流過測量探頭的熱流與流過被測物體其它部分的熱流相同，有時測量誤差非常大，同時干擾因素多、干擾作用大，需要進行多項的修正和補償，測量的準(zhǔn)確度較低，因此傳統(tǒng)測量方法無法滿足許多工業(yè)測量與控制中對熱流密度準(zhǔn)確計量的要求。針對高溫超導(dǎo)實驗中管道壁面熱流密度的精確測量問題，基于對流換熱反問題的求解，提出了一種簡明、通用的測量管道壁面穩(wěn)態(tài)熱流的新方法，并從數(shù)值模擬實驗上分析了測量誤差對熱流密度估算的影響。

壁面熱流測量原理

考慮常物性流體(如機油)流過平行平板管道的層流受迫對流情況，流體速度邊界層已充分發(fā)展，而熱邊界層正在發(fā)展中。其中管道的一個壁面受到隨空間變化的熱流，而另一壁面為絕熱。流體進入管道的初始溫度為T₀。平行平板管道的幾何形狀如圖1所示，L為平行平板管道間距，b為所測管道某段長度。

壁面熱流結(jié)果分析

在測得管道內(nèi)壁附近溫度分布的情況下，利用共軛梯度法求解二維對流換熱反問題，可以估算出管道壁面的熱流密度。應(yīng)用正問題的計算結(jié)果加上一個誤差，模擬實測的溫度數(shù)據(jù)，作為反問題的求解條件，熱流密度的估算值與精確解吻合較好。模擬采用的算法收斂速度快，比較適用于相應(yīng)的儀器儀表設(shè)計中的編程。

熱流密度是熱工計量及工業(yè)控制中的一個重要參數(shù)。由于熱量是過程量，傳統(tǒng)測量方法對過程量的計量本身存在較大的難度，精確地測量管道壁面的熱流密度是一個比較困難的問題。在實驗室和工業(yè)裝置中，由于流體在管道壁面之間流體流動和傳熱的復(fù)雜性，熱流密度的實測數(shù)據(jù)都很少。

長壁工作面 longwall face

分為：走向長壁工作面采煤方法；傾向長壁采煤方法

開采一大塊煤，它的每一個邊都像一面墻壁一樣，就是壁式。剩下的就是看哪個邊長，走向長就叫走向長壁，工作面一般布置在短邊，沿走向方向推進。2100433B

本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目 審核 。

長度一般在50米以下的采煤工作面叫短壁工作面。2003 年“短壁采煤機研究與總體設(shè)計” (“煤礦開采” 2002 年第4 期發(fā)表)一文入編中央文獻出版社出版的“中國現(xiàn)代化建設(shè)研究文庫” 一書，并在中國管理科學(xué)學(xué)會舉辦的“21 世紀(jì)中國現(xiàn)代化建設(shè)理論與實踐” 優(yōu)秀論文評選中獲二等獎。

中文名稱

短壁工作面

英文名稱

shortwall face

定　　義

長度一般在50m以下的采煤工作面。

應(yīng)用學(xué)科

煤炭科技（一級學(xué)科），煤礦開采（二級學(xué)科），采煤方法（三級學(xué)科）

壁面POP廣告是陳列在商場或商店的壁面上的POP廣告形式。在商場的空間中，除壁為主要的壁面外，活動的隔斷，柜臺和貸架的立面、柱頭的表面、門窗的玻璃而等都是壁面POP可以陳列的地方。

運用于商場的壁面POP，在形式上有平面的和立體的兩種形式。平面的壁面POP，實際上就是我們前面已講述過的招貼廣告，而立體的壁面POP，則是本章要介紹的主要內(nèi)容。由于壁面展示條件的很制，運用于壁面POP的立體造型，主要是以半立體的造型為主。所謂半立體的造型，也就是類似浮雕的造型。