结构热试验中冷壁热流边界模拟方法研究
管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟
毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名******** 杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。
2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。
其总流阻损失应在满足规定要求。
2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。
3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。
3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。
3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。
车辆发动机冷却模块试验与仿真研究
压比热；下标Ｉ、Ｏ、ｍａｘ、ｍｉｎ分别表示内侧、外侧、最 小值和最大值。
通过换热器传热的基本方程（１）～（５）及该换热 器元件的不同工况下传热性能数据，可以获得形如： ≯一厂（Ｎ丁Ｌ，，Ｗｏ，Ｗ，，Ｋｏ，Ａｏ）的关系式。式中， Ｋ０、Ａ，分别为换热器外侧表面换热器系数、外侧表 面传热面积。其中各换热器元件外翅片传热和阻力 性能的试验关联式可见文献［１１～１３］。
摘要：为了提高车辆发动机冷却模块传热与阻力性能的仿真精度，以某液压挖掘机包括 增压中冷器、液压油冷却器和水箱散热器在内的冷却模块为研究对象，采用３Ｄ和１Ｄ联合仿
真技术，对冷却模块各散热元件进行传热和阻力性能的仿真。进一步对冷却模块进行风洞试
验，并将试验结果与仿真结果进行对比。仿真结果表明：该模型对增压中冷器、液压油冷却器
及水箱散热器传热性能的偏差分别为一４．０２％、一５．８％和４．３７％，冷却模块系统阻力偏差
为一７．３８％。采用联合仿真技术相对于１Ｄ仿真，可明显提高仿真精度。
关键词：内燃机；车辆；发动机；冷却模块；联合仿真
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＩＣ ｅｎｇｉｎｅ；ｖｅｈｉｃｌｅ；ｅｎｇｉｎｅ；ｃｏｏｌｉｎｇ ｐａｃｋａｇｅ；ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐａｃｋａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｎｇｉｎｅ， ｔｈｅ ３Ｄ ａｎｄ １Ｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｍａ— ｃｈｉｎｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐａｃｋａｇｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａ ｃｈａｒｇｅ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｏｉｌ ｃｏｏｌｅｒ ａｎｄ ｒａｄｉａｔｏｒ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐａｃｋａｇｅ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐａｃｋａｇｅ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒ— ｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｓ一４．０２％，一５．８％ａｎｄ ４．３７％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐａｃｋａｇｅ ｉｓ一７．３８％．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ １Ｄ ａｎｄ ３Ｄ ｃｏｒｎ— ｂｉｎｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｔｏ ｔｈｅ １Ｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．
高温空气燃烧技术中炉膛内流场的冷态模拟及实验
收稿日期:2005-01-13高增丽(1973～ ),硕士;255049 山东省淄博市。
高温空气燃烧技术中炉膛内流场的冷态模拟及实验高增丽(山东理工大学材料学院) 邢桂菊(鞍山科技大学)摘 要 高温空气燃烧技术是一种新型燃烧技术,因为其成功实现了节能和低NO x 排放,已经越来越引起人们的重视。
本文着重介绍了回流对于高温空气燃烧中的高效热回收率、温度场均匀以及低NO x 排放所起的作用,并参考一加热炉对流场进行冷态模拟,对其结构进行优化,同时进行了相应的实验。
关键词 高温空气燃烧 回流 蓄热炉Numerical simulations of fluent f ield under normal condition and experiment in burner in high temperature air combustion technologyG ao Zengli(Shandong University of Technology Material Academy )Xing Guiju(Anshan University of Science and Technology )Abstract High temperature air combustion technology is a new combustion technology ,which has received much attention for its accom plishment not only in energy saving but also low nitric oxide e 2mission.The article mainly introduces that circumfluence makes contribution to high heat recovery rate and even temperature field and low NO x emission ,and simulates flowing field by using air under normal condition.Besides ,the article describes how to o ptimize construction of regenerator and the result was compared with corres ponding experiment.K eyw ords high temperature air combustion circumfluence regenerator1 前言高温空气燃烧技术源于蓄热燃烧技术,1856年法国WillamSiemens 兄弟发明了蓄热室,使炉膛内烟气和冷空气交替通过蓄热室,以获得1000～1200℃的高温,该技术1861年应用于大型的高温玻璃熔炼炉,1862年英国的British G as 公司和Hotwork 公司携手合作开发出蓄热燃烧器,此称为第一代蓄热燃烧技术。
基于流-热-固耦合的水冷壁应力场数值模拟研究
收稿日期：2023-04-22基金项目：广西科技基地和人才专项基金（PD210209）作者简介：张进（1970-），男，天津人，高级工程师。
通讯作者：王许稳（1984-），男，河北保定人，副教授，博士，主要从事两相流动与传热等方面的研究。
基于流-热-固耦合的水冷壁应力场数值模拟研究张进1，赵旭1，王许稳2（1.华能集团辽宁分公司华能丹东电厂，辽宁东港118300；2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004）摘要：锅炉水冷壁向火侧内烟气与水冷壁管内饱和水之间的传热，使水冷壁管间、水冷壁管与鳍片间、水冷壁向火侧和背火侧间产生较大的热应力。
本文通过数值模拟获得垂直膜式水冷壁管屏在较高炉膛温度下的温度场和应力场分布，获悉了水冷壁管内压力及温度决定了水冷壁热应力的大小及分布，得知了水冷壁管与鳍片拉裂的原因是锅炉热负荷在短时间内的交替变化，其计算结果为水冷壁在发生热应力拉裂破坏条件下的改进及合理应对拉裂事故提供了方向。
关键词：水冷壁；热应力；数值模拟；流固耦合；水平烟道中图分类号：TK472文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0024-05DOI ：10.13888/ki.jsie （ns ）.2023.03.005第19卷第3期2023年7月Vol.19No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）为了与风力、光伏等新能源并网配合，火力发电在整个电网调频调峰中扮演着越来越重要的角色。
为了满足区域电网对电量的要求，大容量火力发电机组常常需要频繁且大范围地低负荷运行。
在大范围调峰过程中，锅炉的负荷可能大大偏离设计负荷，甚至低于设计负荷的20%。
如此大范围地调节负荷会使锅炉内烟气的温度场和流场发生剧烈的变化，导致炉膛水冷壁的温度产生交替波动［1-2］。
《粉质黏土单向冻结冷生构造试验及数值模拟研究》范文
《粉质黏土单向冻结冷生构造试验及数值模拟研究》篇一一、引言随着工程建设的不断发展，地下工程的建设越来越受到重视。
粉质黏土作为一种常见的土质类型，其单向冻结过程中的冷生构造行为具有重要的研究价值。
为了更深入地理解其冻土物理性质，探究单向冻结对土体内部构造及工程特性的影响，本文采用实验和数值模拟相结合的方式，对粉质黏土单向冻结的冷生构造进行深入探讨。
二、粉质黏土单向冻结实验方法及设计本文设计了一系列的实验方案，主要包括了样品制备、冻结过程及测试环节。
具体来说：（一）样品制备选用某一地区典型粉质黏土为研究对象，对土壤进行粒度分析，明确其组成特性。
同时，进行合理的配比，制备出满足实验要求的土壤样品。
（二）冻结过程在低温环境下，对土壤样品进行单向冻结，记录不同时间点的温度变化情况，观察土壤的冻结过程。
（三）测试环节在冻结过程中及结束后，对土壤样品进行物理性能测试，如压缩性、剪切强度等，了解其冻土的力学特性。
三、粉质黏土单向冻结冷生构造实验结果分析（一）温度变化分析根据实验数据，绘制出温度随时间变化的曲线图。
从图中可以看出，随着温度的降低，土壤的冻结速度逐渐加快，当温度达到某一临界值时，土壤开始出现明显的冻结现象。
（二）物理性能分析在分析物理性能时，我们发现在单向冻结过程中，粉质黏土的压缩性、剪切强度等力学特性均有所变化。
具体来说，随着温度的降低和冻结时间的延长，粉质黏土的力学性能逐渐增强。
同时，我们还发现冻土的内部构造也发生了明显的变化，形成了独特的冷生构造。
四、数值模拟研究为了更深入地理解粉质黏土单向冻结过程中的冷生构造行为，本文还采用了数值模拟的方法进行研究。
具体来说：（一）模型建立根据实验数据和实际情况，建立合理的数值模型。
模型中考虑了土壤的物理性质、热传导过程及力学特性等因素。
（二）模拟过程及结果分析通过数值模拟软件对模型进行求解，得出不同时间点的温度分布、应力分布及土体变形等情况。
从模拟结果中可以看出，随着温度的降低和冻结时间的延长，粉质黏土的内部构造逐渐发生变化，形成了与实际实验结果相符的冷生构造。
基于增材技术的极小曲面结构散热仿真及性能研究
图 3 不同散热结构在不同功率下的最高温度
ａ 支撑施加 ｂ 加工风险分析 图 6 工艺仿真
（ａ）翅片型（ｂ）三角型（ｃ）ＴＰＭＳ 图 4 40W/cm2 功率下不同散热结构的最高温度
通过对比表 2 可以看出，在热流密度较低时，三种结构 最高温度相差 ±1℃，无明显差别，随着热流密度的提升， 液 冷 板 温 度 逐 渐 上 升，当 热 流 密 度 达 到 40W/cm2 时，翅 片型液冷板最高温度为 35.4℃，三角型液冷板最高温度为 36.2℃，TPMS 型液冷板最高温度为 34.7℃，即在热流密度
采用工艺仿真软件对一体化结构成型工艺性进行验证。 复杂曲面结构在成型过程中，大尺寸复杂曲面结构包含了数 量极高的曲面特征，同时还可能存在多种曲面的过渡、交联， 变形问题进一步增加，也给工艺实现造成了极大的难题 [4]。
4 试验验证 试验部分采用加热片、液冷板、电源模块、冷水机以及
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20
20.2 29.3 20.8
TPMS 型
30
20.5 33.4 21.3
40
21.5 36.4 22.1
图 7 不同位置温度测量点示意图
5 总结 本文提出了三种散热结构单元，通过仿真及试验验证方
式，探究最优的散热结构，最终选择 TPMS 型散热结构，基 于 TPMS 散热结构对液冷板进行系统级集成及轻质高效化 一体增材设计设 ；进行了流固耦合散热仿真分析，同时，完 成工艺性评估，打印实体样件，并通过实验进行液冷板整体 性能分析验证，综合结论如下 ：
ZHANG Run-kai1, GAO Chao2, WENG Jun2, LIU Bao-chang1, LI Qing-tang1
纳米尺度热输运机制与结构化热界面
纳米尺度热输运机制与结构化热界面一、引言随着科技的发展和纳米材料的应用，研究纳米尺度下的热输运机制和热界面结构化变得越来越重要。
在纳米材料的应用中，热传导特性是一个关键问题，而热界面的设计与优化则是提高热传导效率的关键。
本文将介绍纳米尺度热输运机制和结构化热界面的研究现状和进展。
二、纳米尺度热输运机制随着纳米材料的制备和应用，纳米尺度下的热输运机制成为研究的热点之一。
纳米尺度下的热传导与宏观材料存在显著差异，主要表现在以下几个方面：尺寸效应1.：当材料尺寸缩小到纳米尺度时，晶格边界和界面对热传导的贡献变得显著，尺寸效应会导致热导率的减弱。
散射效应 2.：纳米尺度下的热传导主要通过晶格振动传递，晶格缺陷、杂质等可以引起散射，进而减弱热导率。
界面效应3.：纳米尺度下的热传导受到界面的影响，热界面的结构和性质对热传导的影响巨大。
为了深入了解纳米尺度热输运机制，研究者们采用了多种方法，包括分子动力学模拟、纳米加热-红外显微热像技术等。
三、纳米尺度热界面结构化的意义在纳米材料的应用中，热界面的设计与优化对提高热传导效率起到关键作用。
通过结构化热界面，可以实现以下效果：增强界面接触1.：纳米尺度下，界面的接触面积有限，通过结构化热界面，可以增加有效接触面积，提高热传导效率。
优化界面能量传递2.：通过设计和调控热界面的结构，可以优化热能在界面的传递过程，减小界面热阻，提高热传导效率。
调控纳米材料性质3.：热界面的结构化还可以调控纳米材料的性质，如对材料的机械性能、电性能等产生影响，从而使得纳米材料在具体应用中发挥更好的效果。
纳米尺度热界面的结构化研究涉及到多个领域，如材料科学、纳米技术、表面科学等。
四、结构化热界面的研究进展为了实现高效的热界面结构化，研究者们进行了大量的实验和理论研究，取得了一系列进展。
1.热界面涂层通过在纳米材料表面进行涂层处理，可以实现热界面的结构化。
研究者们利用纳米材料的特殊性质，设计了各种纳米结构的涂层，如纳米颗粒、纳米线等。
生物质热风炉换热器传热数值模拟及优化
生物质热风炉换热器传热数值模拟及优化摘要：在试验和测量的基础上，运用Catia对某生物质热风炉的换热器进行三维建模，运用Workbench中的Mesh模块对其进行网格划分，运用Fluent对热风炉换热器中空气流场和烟气流场进行数值模拟，得到空气和烟气的温度场、速度场等数据，并对计算结果进行分析讨论，提出改进措施，通过试验证明了数值模拟的准确性。
生物质热风炉作为一种节能、环保的加热取暖装置，已经得到越来越多的应用，可以在冬天用作取暖设备，也可以为粮食作物等烘干提供热源，还可以为温室大棚保温等。
生物质热风炉主要包括鼓风机、燃烧装置、换热器等，其中换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的装置，生物质热风炉的经济性、可靠性及使用性很大程度上受到换热器结构的影响。
由于换热器结构的复杂性，影响换热效率的因素众多，若仅仅依靠试验来优化换热器的结构以最大限度地提高其换热效率，那将是一个及其繁琐且冗长的过程。
随着计算机技术的发展和计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)知识的不断完善，CFD软件的计算速度、稳定性、精确性已经达到了可以信赖的程度。
因此，对某生物质热风炉进行CFD分析，得出内部气流的温度场、速度场，然后对其进行评价、优化以提高换热效率，最后通过试验验证结构的合理性。
1仿真模型1.1物理模型的建立该热风炉的换热器为间壁式换热器，温度不同的两种流体在被非隔热壁面分开的空间中流动，通过壁面传热和流体在导热壁表面对流，实现两种流体之间的换热。
换热器一般有管壳式和套管式两类，这里模拟的是管壳式换热器。
物理模型是进行后续模拟的实体基础，合理的物理模型能够为后续网格划分及分析计算省去很多不必要的麻烦。
在三维软件Catia中建立的换热器物理模型如图1所示，换热器主要参数如表1所示。
换热器的下方即为燃烧室，秸秆等生物质燃料在其下方燃烧，产生烟气伴随着大量热量流进换热管(管程流体)，换热器上方(即烟气出口)装有引风机使生物质燃料烧得更旺，产生更多的热量。
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壁热流边界。文章讨论了在结构热试验中进行冷壁热流边界模拟的试验方法，并使该方法在结构热试验的控制
算法中加以实现，对结构热试验是一个有效的补充。
关键词：结构热试验；热流模拟；控制算法
中图分类号：V416.4
文献标识码：A
文章编号：1673-1379（2008）01-0033-03
1 引言
在飞行气动加热等热环境作用下结构的性能。由于
测量 传感器
反馈
为表面壁温（热力学温标）。
w
式(1)右边第一项表示表面温度修正后的对表
实测热流q
PID控制 算法运算 输出
面的气动加热，第二项是表面的辐射散热。 工程上，在马赫数不高的情况下，热壁热流的
公式(1)可以简化为公式(2)来计算：
，
(2)
实测壁面 温度
根据壁面温度
参数 冷壁热流q c
计算热壁热流q
参考文献（References） [ 1] 周锡仪, 等. 结构热试验技术[M]. 北京: 宇航出版社,
1993 [ 2] 范绪箕. 气动加热与热防护系统[M]. 北京: 科学出版
社, 2004 [ 3] 王智勇. 飞行器气动加热环境与结构响应耦合的热结
构试验方法[J]. 强度与环境, 2006, 33(4) [ 4] 杨世铭. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1987
均不容易保证，可测量范围也受到传感器安装工艺
从式中看出，热壁热流是通过冷壁热流、壁面
的限制，以温度信号作为基准进行过程控制不能确 温度（壁面气体比焓）、恢复温度（恢复比焓）几
保试验的准确度和可靠性。
个变量计算出来的。由于气体的焓值可以根据气体
由于冷壁热流在结构热试验中没有办法通过传 温度以及气体的特性计算得出，所以在下面的讨论
s
，
(5)
式中： 为自然对流换热系数；T 为结构表面附 a
近的空气温度； 为地面试验条件下结构的表面 黑度系数。
此外，需要考虑传感器安装位置等引起的辐射 角系数的影响。修正后的控制设定热流q的计算式 表示为：
。(
6
)
在 控制热流计算中涉及了两个表面黑度系数，必须分 清楚。 指的是飞行条件下结构的表面黑度系数；
指的是地面试验条件下结构的表面黑度系数。
0
地面试验条件下结构的表面黑度系数与飞行状态不 同，需要准确设定。
7 误差影响
影响最终试验精度的几个主要因素包括热流传 感器、壁面温度、表面黑度系数的测量误差。这些 因素引起的误差与常规的热壁热流边界模拟试验相 同，可以通过提高试验测量技术来减小。这里特别 要提到的是离散控制引起的系统误差：由于在每个 时刻的控制热流只能采用上一个离散时刻测量到的 壁面温度进行计算，从而引入了系统误差
结构热试验的控制采用的是计算机离散控制。
热壁热流与冷壁热流的关系式为
在每个试验的离散控制时刻
tn，壁面温度
T
通过数
w
据采集获取，冷壁热流q 和气体恢复温度T 通过试
，
c
r
(1) 验时间计算得到。将这3个参数代入公式(2)，求出
式中：q 为从表面传入防热层的净热流密度，即热 n
壁热流；q 为表面处在热力学温度零度时传入防热 c
。
(7)
该系统误差的大小与单个控制周期内的温升成 一定比例，以每秒100 K的升温速率估算，其大小 在1%左右。一般情况下该误差可以接受，具体每 个试验最终的误差大小可以通过试验后的数据分析 给出。
8 结束语
本文讨论了在结构热试验中进行冷壁热流边界 模拟的试验方法。该方法在结构热试验的控制算法 中得以实现，对热结构试验是一个有效的补充。但 由于热流、壁面温度、黑度系数几个参数的测量存 在一定的误差，测量范围也有限，所以该方法的应 用范围受测量手段的限制较大。在后续的工作中重 点需要通过改进测量技术来减小试验误差。
冷壁热流是假设结构表面在受气动加热时表面
q = q (t) ， (3)
c
c
Tr = Tr (t) 。 (4)
温度恒定于热力学温度零度不变，而单纯依靠气动
地面结构热试验需要模拟的是飞行过程的热环
计算得出的热流。它与结构的热响应无关，所以在 境和载荷环境。因为每个时刻的结构瞬态温度场取
飞行器研制阶段就可以根据飞行轨迹计算出较为准 决于此时刻之前热输入的累积效应，所以必须真实
确的冷壁热流，并在模型的风洞试验中加以验证。 地按照飞行时序模拟气动加热的整个时间历程。这
热壁热流是指考虑了结构热响应的结构净吸收
样试验时间就和飞行时间统一起来，q (t)和T (t)就
c
r
热流。热壁热流和表面温度是两个相关参数，通过 可以表示为试验时间的函数。
气动加热与结构有限元分析耦合计算得出[2]。
HYF SOFTWARE CO.,LTD
第25卷第1期
航天器环境工程
2008年2月
SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING
33
结构热试验中冷壁热流边界模拟方法研究
王智勇，巨亚堂，黄世勇
（北京强度环境研究所，北京 100076）
摘要：在结构热试验中，由于受试验手段的限制，对于热载荷一般只能模拟热壁热流边界，而无法模拟冷
采用冷壁热流作为试验载荷条件的要求。为了解决 这一问题，需要找到合理的以冷壁热流对热结构进 行地面模拟的试验方法。
2 结构热试验技术
(2) 热壁热流边界的模拟 结构热试验中目前常用的热流计为热阻式热流 计，其输出信号代表了试验件表面吸收热流的大 小，这与热流计的工作原理以及校验方式相关，所
结构热试验是通过在地面模拟的方法，研究
感器测量得到，所以结构热试验一般无法对冷壁热 中不再考虑气体焓值的计算，直接采用式(2)作为
流边界进行模拟。这成为飞行器结构热试验发展中 讨论的工程基础。
的一个瓶颈。
在飞行器弹道确定的情况下，冷壁热流和气体
4 热壁热流与冷壁热流的关系
的恢复温度可以较为准确地计算得出。令它们为飞 行时间的函数：
在进行飞行器结构气动加热计算时，可以分别 得到冷壁热流和热壁热流。
构承载能力降低、结构中温度梯度引起的附加热应 机等组成闭环控制系统，实现加热的自动控制。图
力、高温结构变形、仪器工作环境温度升高等问题。 1是结构热试验控制原理图。
结构热试验技术就是为了研究解决这些结构热问题
D/A输出
可控硅
加热器
试验件
而发展起来的，目前较为成熟的技术是采用辐射加
热的方式进行结构热环境模拟[1]。 结构热试验按照模拟的边界划分，可以实现外
6 冷壁热流试验方法
在具体进行冷壁热流边界模拟试验时，需要事 先完成几项测试：位置系数的测定；损失项的测 定；（必要时）表面黑度系数的测定。
按照理想情况，热流传感器反映的是试验表面 的净吸收热流。但实际情况下，一些相关因素会影 响热流传感器的测量值，必须采用试验或分析的方 法加以修正。
地面环境条件下存在结构表面与空气之间的自 然对流换热，以及结构表面向环境中辐射散 热[4]。将这两项统一视为地面环境条件下结构表面 因温升引起的附加热损失。随着结构表面的升温， 附加热损失必须予以考虑，并在热流控制程序中加 以修正。热损失q 可以表示为
壁温度边界的模拟和热壁热流边界的模拟。经过多 年的试验应用，这两类边界的模拟目前已经比较成 熟。在飞行器方案设计和初样研制阶段，冷壁热流
温度、热流反馈
图1 结构热试验控制原理图 Fig. 1 Thermo-structural experiment control blocks
3 试验边界的模拟分类
2 0 0 8 年第25卷
5 冷壁热流控制方法研究
量，实现热壁热流的控制和模拟。热流边界模拟多
用于一些温度计算不准确或温度测量可靠性较低的
为了解决结构热试验中冷壁热流边界的模拟问
非金属结构，这是由于非金属结构的温度测量受材 题，我们以公式(1)和(2)为基础，研究具体的实现
料特性和表面状况等因素的制约，稳定性和可靠性 方法。
层表面的热流密度，即冷壁热流；hw、hr分别为在 表面壁温下和气体恢复温度下的气体焓值；ε为防
热层表面辐射系数；σ为作为控制的设定值与热 n
流传感器的反馈值相比较，使用PID控制算法进行
运算，实现热流的控制。具体的控制流程见
图2。
数据采集
信号调理、 放大
通过计算得出并经过模型的风洞试验加以验证，其
在实际的热载荷模拟中，边界的模拟主要分为
准确度和可信度较高；而热壁热流和结构的表面温 两种：壁面温度边界和热壁热流边界。这两种边界
度一般为未知量，需要通过冷壁热流和结构参数计 均是按照飞行过程而得出的时间的函数。
算获得，其准确度依赖于计算分析的精度。所以采 用表面温度和热壁热流作为热载荷条件进行试验，
(1) 壁面温度边界的模拟 这里的壁面温度只能是计算得到的结构外壁面
本身就不可避免地带来误差，其试验效果直接受到 温度，某些结构在经过其他的试验后可能能够得到
试验载荷计算精度的制约。
较为准确的内壁温度，但是在结构热试验中内壁温
近些年来随着结构热试验技术的发展，提出了 度的加热控制无法实现，这里不再详细讨论。
第1期
王智勇等：结构热试验中冷壁热流边界模拟方法研究
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态特性。壁面温度T 可以通过安装传感器进行实时 w
的测量。这样，热壁热流就可以在试验过程中实时 计算出来，冷壁热流的控制就转化为热壁热流的控 制[3]。依据热壁热流的控制方法就可以实现地面热 试验的热载荷控制。
根据这一思路，对结构热试验系统进行了控制 软件的改动。为了简化试验控制过程中的计算量， 包括冷壁热流、气体恢复温度、表面辐射系数在内 的参数均以时间函数的形式输入控制算法，在控制 算法中完成热壁热流的计算。计算结果和中间参数 均实时存储于硬盘上，以备试验后分析。