密闭腔内毫秒级传热中内壁温度的软测量

　　1　引　　言

　　密闭腔工况在工业、国防上有着广泛的应用,如船用、车用与工业生产用发动机,火炮发射系统的内弹道过程等。随着科学技术的迅猛发展,高性能发动机系统、超高速高射频武器系统等各种高性能设备的研制成为工业与国防发展的必然,密闭腔内工作过程的高参特性(高温可达2500～2800K、高压可达300～500Mpa、高瞬态性约为5～10ms)将更加明显,毫秒级传热过程对零部件形成了更高的热负荷与机械负荷,进而产生的烧蚀、热应力、变形、热物性变化等对设备材料的机械性能、设备的使用性能与寿命、设备的使用安全性、产品的生产过程与质量监控等都带来了很大的挑战,已成为研究者们关注的热点。经过多年的工作,人们已经认识到,同样的材料,烧蚀与密闭腔内壁承受的峰值温度密切相关,甚至可以认为是最重要的参量,而且其他许多特性也与密闭腔壁内温度分布直接相关。因此,实现密闭腔内毫秒级传热中内壁温度的测量,是对现有设备进行安全监控的基础,也可为我国高性能设备的研制提供实验手段。

　　由于密闭腔内工作过程的瞬态性、密闭性以及经常伴有的高温高压气体,使得采用激光、红外等先进测试手段无法对内壁温度变化进行顺利测试,或测试结果偏差很大;采用接触式测量瞬态温度,对表面温度传感器的动态特性、机械性能要求又很高[1～3],因此有必要寻求另外的测试方法与手段,解决该工况下温度的测试问题。

　　本文将采用软测量的方法,基于机理分析建立测量模型,通过合适数学计算方法进行求解,实现密闭腔内毫秒级传热中内壁温度的测量。

　　2　测量原理

　　软测量是以易测过程变量(辅助变量或二次变量)为基础,利用易测过程变量和待测过程变量(难测主导变量)之间的数学关系(软测量模型),通过各种数学计算和估计实现对待测过程变量的测量[4]。因此,确定二次变量、建立软测量模型并进行合适的数学计算是其关键。

　　密闭腔内壁面温度由于腔内瞬态工作过程而表现为高瞬态变化,但壁内温度的变化要相对缓慢得多,动态特性要求低,且容易测量,为易测量。同时根据物体的导热规律,物体内部某点温度与边界条件之间、内部各点温度之间均存在一定的关系,借助初值与边界条件,利用傅立叶传热定律便可描述出物体内部这种温度变化规律及相互间的关系。依据这种关系,选择壁内距表面一定距离的某一位置处温度作为二次变量,使得密闭腔内毫秒级传热中内壁温度的测量成为可能。

　　3　测量模型

　　由于密闭腔内工作过程的高瞬态性,高温高压的热气流对内壁表面的作用也呈现高瞬态性,为了简化分析,作如下假设与处理:(1)由于传热过程为毫秒级,可认为密闭腔壁内温度变化为沿径向的一维问题;(2)壁材料的热物性——导热系数k和导温系数a均以常量处理;(3)不考虑为埋设测温传感器探头,在壁上所开小孔对温度场的影响(高瞬态的过程以及在孔中充填物性与金属基体尽量接近的填料,可以减小这种影响,进而可忽略)。