一种电弧风洞试验总温和总压确定方法与流程

本发明涉及飞行器地面试验模拟气流参数测量，特别是涉及一种电弧风洞试验总温和总压确定方法，用于电弧风洞地面试验流场参数测量，属于飞行器地面气动热试验研究领域。

背景技术：

1、电弧风洞是专用于飞行器高速再入的地面模拟设备，用于评估和考核高速再入过程气动加热考核条件的热防护系统，对于电弧风洞试验，其中核心的环节是确定地面设备模拟的状态参数，其中总温和总压是两个关键参数。

2、关于总温测量，目前常用的方法是采用接触式手段进行，利用在电弧风洞喷管出口或混合室内布置总温探针进行，但总温探针受限其金属结构，应用受限于金属熔点，一般只能适用于2000℃条件的总温测量，而电弧加热器内的气流参数往往非常高(压力1-100atm，温度1000-10000k)，总温探针测量法的应用范围受限，无法满足较高温度条件下的参数测量。关于总压测量，目前最常用的手段是在电弧风洞喷管前弧室/混合室侧向开孔进行压力测量，但该种方法获得的是静压，通过假设弧室/混合室内气流流速较低，静压近似等于总压，该近似在弧室/混合室直径与喷管喉道直径之比较大时成立，一般要求该比值≥3，而电弧风洞试验的实际条件并不能始终满足。本人发展的焓值测量方法(zl201910440190.1)中涉及了气流总温和压力的测量，该方法基于静压测量的方法，在弧室/混合室直径与喷管喉道直径之比较小时测量误差会偏大。根据地面风洞设备条件计算，当弧室/混合室的直径比较接近，直径比≤1.7时，弧室/混合室内气流马赫数≥0.3，总压静压比≥1.06，对总压测量的影响超过1.06，总温测量影响超过1.1，因此必须考虑总压修正。同时，对于电弧风洞试验来说，地面参数测量需要简单、快速，因此有必要发展专门的总温、总压测量方法，实现对电弧风洞试验总温和总压快速、准确测量。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：提出了一种电弧风洞试验总温和总压确定方法，可以非常快速、准确的获得电弧风洞试验的总压和总温，满足电弧风洞气动热试验的参数测量需求。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种电弧风洞试验总温和总压确定方法，包括如下步骤：

4、(1)、测量混合室通入冷气流的温度，获得冷气流温度平均值t；

5、(2)、电弧加热器产生的热气流与混合室通入的冷气流进行混合，混合后气流经喷管膨胀加速后，产生电弧风洞试验的流场环境；测量所述混合后气流的压力，即电弧加热器工作时压力p1，并测量电弧加热器不工作时的压力p2；

6、(3)、基于混合室的内径d2和喷管喉道直径d1，获得混合室内混合后的气流的马赫数，包括电弧加热器工作时的马赫数m11和不工作时的马赫数m2；

7、(4)、基于所述电弧加热器工作时压力p1和马赫数m11，获得所述混合后气流的初始总压p0,1；

8、(5)、基于所述电弧加热器不工作时的压力p2和马赫数m2，获得所述混合后气流的压力p3；

9、(6)、基于所述混合后气流的初始总压p0,1、混合后气流的压力p3和冷气流温度平均值t，获得混合后气流的初始总温t0,1；

10、(7)、基于输入压力pp和输入温度tt获得比热比rn，根据所述比热比rn获得电弧加热器工作时的马赫数m1,n；

11、(8)、基于所述电弧加热器工作时压力p1和马赫数m1,n，获得所述混合后气流的迭代总压p0,n,基于所述迭代总压p0,n和输入温度tt，获得混合后气流的迭代总温t0,n；

12、(9)、重复步骤(7)～(8)，直至所述迭代总压p0,n和迭代总温t0,n收敛，获得最终的总压p0和总温t0，p0＝p0,n,t0＝t0,n。

13、在上述电弧风洞试验总温和总压确定方法中，所述步骤(3)中基于混合室的内径d2和喷管喉道直径d1，获得混合室内混合后的气流的马赫数，包括电弧加热器工作时的马赫数m11和不工作时的马赫数m2，具体计算公式如下：

14、

15、在上述电弧风洞试验总温和总压确定方法中，所述步骤(4)中基于电弧加热器工作时压力p1和马赫数m11，获得所述混合后气流的的初始总压p0,1，包括：

16、p01＝p1(1+0.2m112)3.5。

17、在上述电弧风洞试验总温和总压确定方法中，所述步骤(5)中基于电弧加热器不工作时的压力p2和马赫数m2，获得所述混合后气流的压力p3，包括：

18、

19、在上述电弧风洞试验总温和总压确定方法中，所述步骤(6)中基于混合后气流的初始总压p0,1、混合后气流的压力p3和冷气流温度平均值t，获得混合后气流的初始总温t0，1，包括：

20、

21、在上述电弧风洞试验总温和总压确定方法中，所述步骤(7)中基于输入压力pp和输入温度tt根据热力学计算获得比热比rn，rn＝f(t0,n-1，p0n-1)，其中pp＝p0,n-1，tt＝t0,n-1。

22、在上述电弧风洞试验总温和总压确定方法中，所述步骤(7)中根据比热比rn获得电弧加热器工作时的马赫数m1,n，包括：

23、

24、其中，n＝2～n，n为最终迭代次数。

25、在上述电弧风洞试验总温和总压确定方法中，所述步骤(8)中基于电弧加热器工作时压力p1和马赫数m1,n，获得所述混合后气流的迭代总压p0,n，包括：

26、

27、基于所述迭代总压p0,n和输入温度tt，获得混合后气流的迭代总温t0,n，包括：

28、

29、其中，f(rn)为流量系数，tt＝t0,n-1。

30、在上述电弧风洞试验总温和总压确定方法中，所述f(rn)满足：

31、

32、在上述电弧风洞试验总温和总压确定方法中，所述步骤(9)中迭代总压p0n和迭代总温t0n收敛的条件为：

33、

34、本发明与现有技术相比至少包含如下有益效果：

35、(1)、本发明实施例提出一种电弧风洞试验总温和总压确定方法，结合压力、温度测量，可以非常快速、准确的获得电弧风洞试验的总压和总温，满足电弧风洞气动热试验的参数测量需求。

36、(2)、本发明实施例提出一种电弧风洞试验总温和总压确定方法，适用于管式、分段、叠片各种类型的电弧加热器试验参数确定，可以覆盖现有风洞试验模拟的温度和压力范围，温度适用于范围300-10000k,压力适用范围0.1-200atm，大大拓展了现有接触式测量方法的适用范围。

技术特征：

1.一种电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中基于混合室的内径d2和喷管喉道直径d1，获得混合室内混合后的气流的马赫数，包括电弧加热器工作时的马赫数m11和不工作时的马赫数m2，具体计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中基于电弧加热器工作时压力p1和马赫数m11，获得所述混合后气流的的初始总压p0,1，包括：

4.根据权利要求1所述的电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，所述步骤(5)中基于电弧加热器不工作时的压力p2和马赫数m2，获得所述混合后气流的压力p3，包括：

5.根据权利要求1所述的电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，所述步骤(6)中基于混合后气流的初始总压p0,1、混合后气流的压力p3和冷气流温度平均值t，获得混合后气流的初始总温t0，1，包括：

6.根据权利要求1所述的电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，所述步骤(7)中基于输入压力pp和输入温度tt根据热力学计算获得比热比rn，rn＝f(t0,n-1，p0n-1)，其中pp＝p0,n-1，tt＝t0,n-1。

7.根据权利要求6所述的电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，所述步骤(7)中根据比热比rn获得电弧加热器工作时的马赫数m1,n，包括：

8.根据权利要求1所述的电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，所述步骤(8)中基于电弧加热器工作时压力p1和马赫数m1,n，获得所述混合后气流的迭代总压p0n，包括：

9.根据权利要求8所述的电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，所述f(rn)满足：

10.根据权利要求1所述的电弧风洞试验总温和总压确定方法，其特征在于，所述步骤(9)中迭代总压p0,n和迭代总温t0,n收敛的条件为：

技术总结本发明涉及一种电弧风洞试验总温和总压确定方法，用于电弧风洞地面试验流场参数测量，属于飞行器地面气动热试验研究领域，本发明方法结合压力、温度测量，可以非常快速、准确的获得电弧风洞试验的总压和总温，满足电弧风洞气动热试验的参数测量需求；本发明电弧风洞试验总温和总压确定方法，适用于管式、分段、叠片各种类型的电弧加热器试验参数确定，可以覆盖现有风洞试验模拟的温度和压力范围，温度适用于范围300‑10000K,压力适用范围0.1‑200atm，大大拓展了现有接触式测量方法的适用范围。技术研发人员：曾徽,闫宪翔,周凯,周磊,李飞受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/12/2