[發(fā)明專利]一種平板熱試驗(yàn)加熱功率預(yù)估方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711247081.5
• 申請(qǐng)日: 2017-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN109858055B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏廣平;叢琳華;楊志斌;劉志民;李璽
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F30/15
• 代理公司: 中國(guó)航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

本發(fā)明公開了一種平板熱試驗(yàn)加熱功率預(yù)估方法，其特征在于，首先建立平板數(shù)值仿真模型，計(jì)算平板背面強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)，對(duì)平板背面施加強(qiáng)迫對(duì)流邊界條件，對(duì)平板正面，即受熱面施加空間輻射邊界條件，在平板正面施加熱流載荷，通過改變熱流載荷數(shù)值的大小進(jìn)行多次數(shù)值仿真，使得平板正面溫度滿足設(shè)計(jì)溫度要求，確定的熱流載荷與平板受熱面的面積的乘積，得到其加熱功率，本發(fā)明利用工程計(jì)算方法和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，給出了平板熱試驗(yàn)加熱功率預(yù)估，為平板熱試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)保障。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于飛行器結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種平板熱試驗(yàn)加熱功率預(yù)估方法。

背景技術(shù)

厚度為b，長(zhǎng)度和寬度均為a，單位均為m的金屬平板背面承受常壓下溫度為TAir(K)的氣流以V(m/s)速度流過，要求在n(min)內(nèi)金屬平板受熱面溫度由T1(K)上升到T2(K)。

傳統(tǒng)的加熱功率預(yù)估方法是采用理論公式計(jì)算金屬平板吸收熱量，式中為試驗(yàn)件表面達(dá)到最高試驗(yàn)溫度時(shí)試驗(yàn)件吸收的熱量，單位為J；A為試驗(yàn)件受熱面積，單位為m²；δ為材料厚度，單位為m；ρ為材料密度，單位為kg/m³；為材料比熱容，單位為J/(kg·K)；T為試驗(yàn)件表面達(dá)到的最高試驗(yàn)溫度，單位為K。上述理論公式無法考慮平板的對(duì)流和輻射邊界效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：通過數(shù)值仿真提供一種在對(duì)流和輻射環(huán)境中的平板熱試驗(yàn)加熱功率預(yù)估方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種平板熱試驗(yàn)加熱功率預(yù)估方法，其特征在于，首先建立平板數(shù)值仿真模型，計(jì)算平板背面強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)，對(duì)平板背面施加強(qiáng)迫對(duì)流邊界條件，對(duì)平板正面，即受熱面施加空間輻射邊界條件，在平板正面施加熱流載荷，通過改變熱流載荷數(shù)值的大小進(jìn)行多次數(shù)值仿真，使得平板正面溫度滿足設(shè)計(jì)溫度要求，確定的熱流載荷與平板受熱面的面積的乘積，得到其加熱功率，具體過程如下：

步驟1：按照給定的平板尺寸建立數(shù)值仿真模型。

步驟2：采用工程方法計(jì)算平板背面強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)；

步驟3：對(duì)平板背面施加強(qiáng)迫對(duì)流邊界條件；

步驟4：計(jì)算初始熱流載荷；

步驟5：對(duì)平板受熱面施加空間輻射邊界條件；

步驟6：在平板受熱面施加熱流載荷；

步驟7：數(shù)值仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)溫度比較；

步驟8：計(jì)算加熱功率。

其中，步驟1中，所述的數(shù)值仿真模型建立方法為：以厚度為b，長(zhǎng)度和寬度均為a，單位均為m的金屬平板建立三維數(shù)值仿真模型，在數(shù)值仿真模型中定義金屬的材料特性，包括隨溫度變化的傳導(dǎo)率和比熱，以及金屬材料的密度。

步驟2中，所述平板背面強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)計(jì)算方法為：

1)計(jì)算氣流雷諾數(shù)

已知特征長(zhǎng)度為a，單位為m；氣流速度為V，單位為m/s；，氣流速度為TAir，單位為K；按照TAir查標(biāo)準(zhǔn)大氣參數(shù)表知：空氣的普朗特?cái)?shù)為Pr，運(yùn)動(dòng)黏度為，單位為m²/s；空氣的傳導(dǎo)率λ0；單位為W/m/K，則雷諾數(shù)為Re＝V×a/；

2)通過雷諾數(shù)Re判斷氣流的流動(dòng)特性

Rec＝5.0×10⁵為層流和湍流的分界標(biāo)志，如果Re≤Rec，氣流為層流流動(dòng)，否則為湍流流動(dòng)；

4)計(jì)算平均努塞爾數(shù)

層流流動(dòng)平均努塞爾數(shù)：Nu＝0.664×Re^0.5×Pr^1/3