一种电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法与流程

本发明涉及飞行器地面试验气流参数测量，特别是涉及一种电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法，用于电弧风洞热防护系统地面试验，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。对于飞行器再入，其气动加热环境的核心参数是气流焓值和热流密度，而这正是电弧风洞试验模拟的关键参数。

2、关于气流焓值测量，电弧风洞试验常用的方法是采用电弧加热器弧室气流的容积焓进行表征，而关于容积焓的测量方法目前一般采用平衡声速法或者能力平衡法。平衡声速法是基于发展的经验公式，利用测量总压和流量获得气流焓值，但该方法仅适用于2.3-23mj/kg范围内的焓值测量，目前飞行器的速度越来越高，飞行马赫数超过25，其气流焓值超过30mj/kg,平衡声速法无法适用。能量平衡法是通过投入的电功率减去电弧加热器冷却水带走的能量，再除以供气的质量流量作为气体总焓，该方法需要测量电弧加热器每一路冷却水的水温升和流量，应用较为复杂，对于工程型号试验的使用受限。本人发展的焓值测量方法(zl201910440190.1)基于流量守恒和nasa热化学平衡计算，获得了气流焓值计算方法，适用范围1-25mj/kg，其焓值适用范围与平衡声速法类似；专利(zl202111015133.2)提出了新的经验公式，将气流焓值的适用范围拓展至50mj/kg,专利(zl202111012554.x)发展了带起弧氩气的混合介质条件下的焓值测量方法，两个专利基于压力和流量测量开展气流焓值确定，最终焓值的确定是根据热力学计算获得；专利(zl201811494282.x)主要考虑低焓条件焓值测量，忽略气体离解生成的化学焓，通过测量电弧加热器喷管出口自由流的气流温度和速度，获得喷管出口的当地气流总焓，适用范围1.5mj/kg-7.5mj/kg；专利(zl201711003142.3)基于发射光谱强度与气流焓值之间的标定定量关系进行测量，适用范围5mj/kg-25mj/kg。

3、气流焓值本质是由内能焓、动能焓和化学焓三者组成：内能焓由气流温度确定；动能焓由气流速度确定；化学焓是由离解组分的生成焓确定，对于地球大气，n2和o2的生成焓为零，不需要考虑，在0.5-50mj/kg焓值范围内，含量较多的离解组分为n、o、no,确定三者的质量分数即可获得化学焓。基于对三种焓值类型的定量即可以获得气流总焓,该种方法适用于0.5-50mj/kg的范围焓值测量，发展相应的方法十分必要。

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弧室气流容积焓测量方法，基于发展的经验公式和压力测量，可以获得电弧加热器弧室气流速度、温度、n、o、no质量分数，通过分别获得动能焓、内能焓、化学焓的方式获得电弧加热器弧室气流容积焓，解决了传统平衡声速法无法适用于更高焓值(＞23mj/kg)条件焓值测量的难题。

2、本发明的技术方案是：

3、一种电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法，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、总温t0、比热比r和电弧加热工作时得马赫数m0，p0＝p0,n,t0＝t0,n，m0＝m1,n，r＝rn；

13、(10)、根据获得的总压p0、总温t0，计算获得所述混合后气流的摩尔质量mair、定压比热cp、氮原子质量分数wn、一氧化氮质量分数wno和氧原子质量分数wo；

14、(11)、根据所述混合后气流的摩尔质量mair、比热比r、马赫数m0和总温t0，计算获得动能焓hv；

15、(12)、根据所述定压比热cp和总温t0，计算获得内能焓hs；

16、(13)、根据所述氮原子质量分数wn、一氧化氮质量分数wno和氧原子质量分数wo，计算获得化学焓hc；

17、(14)、根据所述动能焓hv、内能焓hs和化学焓hc，获得电弧风洞弧室容积焓h0，其中h0＝hv+hs+hc。

18、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，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：

19、

20、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，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：

21、p01＝p1(1+0.2m112)3.5。

22、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，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：

23、

24、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，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：

25、

26、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，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；

27、根据比热比rn获得电弧加热器工作时的马赫数m1,n，包括：

28、

29、其中，n＝2～n，n为最终迭代次数。

30、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，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：

31、

32、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：

33、

34、其中，f(rn)为流量系数，tt＝t0,n-1。

35、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，所述f(rn)满足：

36、

37、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，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：

38、

39、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，所述步骤(10)中根据获得的总压p0、总温t0，计算获得混合后气流的摩尔质量mair、定压比热cp、氮原子质量分数wn、一氧化氮质量分数wno和氧原子质量分数wo，包括：

40、mair＝28.35-2.083×10-2p0+1.181×10-3t0+1.057×10-4p02+1.145×10-5p0·t0-4.99×10-7t02-8.461×10-8p02·t0+4.204×10-10p0·t02+2.252×10-11t03

41、cp＝0.9938-7.787×10-4p0+1.98×10-4t0+7.067×10-7p0·t0-4.587×10-8t02-1.25×10-10p0·t02+4.19×10-12t03

42、wn＝10δn

43、

44、wno＝10δno

45、

46、wo＝10δo

47、

48、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，所述步骤(11)中根据混合后气流的摩尔质量mair、比热比r、马赫数m0和总温t0，获得动能焓hv，包括：

49、

50、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，所述步骤(12)中根据定压比热cp和总温t0计算获得内能焓hs，包括：hs＝cp×t0。

51、在上述电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法中，所述步骤(13)中根据氮原子质量分数wn、一氧化氮质量分数wno和氧原子质量分数wo，计算获得化学焓hc，包括：

52、hc＝awn+bwno+cwo

53、其中，a、b、c分别为氮原子、一氧化氮和氧原子的离解能，且a＝33.7,b＝21.0,c＝15.6。

54、本发明与现有技术相比至少包含如下有益效果：

55、(1)、本发明实施例提出一种电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法，基于发展的经验公式和压力测量，可以获得电弧加热器弧室气流速度、温度、n、o、no质量分数，通过分别获得动能焓、内能焓、化学焓的方式获得电弧加热器弧室气流容积焓，解决了传统平衡声速法无法适用于更高焓值(＞23mj/kg)条件焓值测量的难题。

56、(2)、本发明实施例提出一种电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法，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，进一步可以非常快速、准确的获得电弧风洞试验的气流总焓。

57、(3)、本发明实施例提出一种电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法，其中对于总温和总压的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。

58、(4)、本发明实施例提出一种电弧风洞试验弧室气流容积焓测量方法，使用焓值测量范围得到大大拓展，可以实现适用于0.5-50mj/kg范围的焓值测量。