【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】隨著新型合成材料的發(fā)展，采用新型量熱元件的穩(wěn)定瞬態(tài)量熱計(jì)引起了研究者的關(guān)注。該傳感器使用金剛石作為量熱元件，并在背面濺射一個(gè)鉑膜電阻來測(cè)量溫度。根據(jù)量熱原理計(jì)算了表面熱流。該傳感器具有靈敏度高、不易腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。
然而，非理想條件，如從量熱計(jì)元件到周圍環(huán)境的散熱，可能導(dǎo)致測(cè)量偏差，并給傳感器小型化帶來挑戰(zhàn)。本研究以空氣和環(huán)氧樹脂為回填材料，研制了兩種不同尺寸的瞬態(tài)量熱計(jì)。對(duì)量熱計(jì)元件與周圍環(huán)境之間復(fù)雜的熱交換進(jìn)行了數(shù)值模擬，
結(jié)果表明它偏離了理想量熱計(jì)傳感器的假設(shè)。為此，提出了一種動(dòng)態(tài)修正方法來補(bǔ)償熱量計(jì)元件背面的能量損失。數(shù)值結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)修正方法顯著提高了測(cè)量誤差，在測(cè)試時(shí)間小于12 ms的情況下，模擬結(jié)果的相對(duì)誤差在2.3%以內(nèi)。爆震隧道試驗(yàn)驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)修正方法的結(jié)果，證明了一種獲得動(dòng)態(tài)修正系數(shù)的實(shí)用方法。在單個(gè)爆震隧道和激波管條件下，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)修正方法的準(zhǔn)確性和可行性。NTC量熱計(jì)在所有實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出良好的重復(fù)性。
相關(guān)論文以題為“A Fast-Response Calorimeter with Dynamic Corrections for Transient Heat Transfer Measurements”于北京時(shí)間2020年09月03號(hào)發(fā)表在《Applied Sciences》上。
氣動(dòng)加熱的精確預(yù)測(cè)是高超聲速飛行器熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，而氣動(dòng)加熱的精確預(yù)測(cè)一直是現(xiàn)代計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的難題。實(shí)驗(yàn)測(cè)量在解決這一問題上仍然起著不可缺少的作用。雖然近幾十年來在提高傳熱測(cè)量精度方面取得了很大進(jìn)展，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果之間的差異經(jīng)常被觀察到，例如，對(duì)于尖銳錐標(biāo)準(zhǔn)模型，在較復(fù)雜模型形狀的某些局部區(qū)域，這種差異可能更大。此外，測(cè)量精度還取決于測(cè)試條件和傳感器類型。因此，在取得進(jìn)一步進(jìn)展之前，有必要廣泛開發(fā)新型熱流傳感器并研究影響傳熱測(cè)量的因素。
由于飛行試驗(yàn)成本高昂，大多數(shù)空氣動(dòng)力加熱試驗(yàn)都在地面設(shè)施中進(jìn)行。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)2.5 ~ 45 MJ/kg的高超聲速流動(dòng)，速度分別為2 ~ 10 km/s。在這種設(shè)備中，有效測(cè)試時(shí)間以毫秒為數(shù)量級(jí)，通過快速響應(yīng)測(cè)試技術(shù)，從模型上選定點(diǎn)的瞬態(tài)溫度監(jiān)測(cè)得到熱流率。一般來說，這些技術(shù)可以分為兩類;第一種是基于熱流傳感器，如電阻溫度計(jì)、熱電偶和量熱計(jì)；第二種是基于非侵入性技術(shù)，如溫敏涂料和熱像儀。
然而，每種技術(shù)都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)。例如，非侵入式光學(xué)測(cè)量是獲得溫度分布測(cè)量的候選方法，具有時(shí)間/空間優(yōu)勢(shì)。但是，校準(zhǔn)過程非常繁瑣，流場(chǎng)雜質(zhì)和模型振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響精度。總的來說，這項(xiàng)技術(shù)在技術(shù)上還不成熟。由于這些光學(xué)缺陷，點(diǎn)熱流傳感器，通常是圓柱形的，主要用于熱傳遞測(cè)量。這些傳感器必須具有足夠快的響應(yīng)速度以獲得足夠的數(shù)據(jù)，并且必須能夠承受由于高速撞擊模型的金屬和塑料膜片碎片造成的熱損傷或快速侵蝕。
在本研究中，研究人員開發(fā)了一種快速響應(yīng)瞬態(tài)量熱計(jì)，以金剛石為量熱元件，用于熱傳導(dǎo)測(cè)量。鉑膜電阻附著在金剛石的背面，作為靈敏的溫度測(cè)量元件，極大地提高了信號(hào)輸出的靈敏度。然后通過數(shù)值求解二維熱傳導(dǎo)方程，檢驗(yàn)了儀表內(nèi)的溫度分布。討論了熱損失對(duì)周圍背材料的非理想影響。此外，該儀表在三種測(cè)試條件下進(jìn)行了充分的測(cè)試，在所有這些情況下都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。總之，這一開發(fā)的儀表擴(kuò)展和補(bǔ)充了高焓值激波隧道換熱測(cè)量的其他技術(shù)。
目前，這方面的工作仍在進(jìn)行中，需要通過不同傳感器直徑和不同回填材料的實(shí)驗(yàn)研究來演示和改進(jìn)施工技術(shù)。然而，初步的結(jié)果是令人鼓舞的，NTC壓力表可以用于擴(kuò)展和補(bǔ)充其他技術(shù)所做的傳熱測(cè)量。
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