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塞块量热计的热流计算与修正方法研究

朱新新 王辉 杨凯 朱涛 杨庆涛 刘进博

朱新新, 王辉, 杨凯, 等. 塞块量热计的热流计算与修正方法研究[J]. 实验流体力学, 2020, 34(5): 97-102, 108. doi: 10.11729/syltlx20190134
引用本文: 朱新新, 王辉, 杨凯, 等. 塞块量热计的热流计算与修正方法研究[J]. 实验流体力学, 2020, 34(5): 97-102, 108. doi: 10.11729/syltlx20190134
ZHU Xinxin, WANG Hui, YANG Kai, et al. Research on heat flux calculation and correction methods of the slug calorimeter[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2020, 34(5): 97-102, 108. doi: 10.11729/syltlx20190134
Citation: ZHU Xinxin, WANG Hui, YANG Kai, et al. Research on heat flux calculation and correction methods of the slug calorimeter[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2020, 34(5): 97-102, 108. doi: 10.11729/syltlx20190134

塞块量热计的热流计算与修正方法研究

doi: 10.11729/syltlx20190134
详细信息
    作者简介:

    朱新新(1988-), 男, 云南保山人, 硕士, 助理研究员。研究方向:气动热与热防护试验测试技术。通信地址:四川省绵阳市二环路南段6号(621000)。邮箱:xinxincomplex@126.com

    通讯作者:

    朱新新, E-mail:xinxincomplex@126.com

  • 中图分类号: V441

Research on heat flux calculation and correction methods of the slug calorimeter

  • 摘要: 为减小塞块量热计的热流测量误差,对其热流计算与修正方法开展了研究。根据能量守恒原理和传热理论,建立了隔热套结构塞块量热计的传热模型和计算方法;通过对塞块量热计传热模型的仿真分析,给出了温升率提取方法和计算误差的主要影响因素;提出了直接比对标定修正方法和基于标定的数值计算修正方法。仿真和试验结果表明:两种方法均能较大幅度减小塞块量热计的热流测量误差,使其误差控制在5%以内;直接比对标定修正方法的误差相对更小,但要求热流标定系统能覆盖被测热流范围;基于标定的数值计算修正方法对热流标定系统要求较低,适用范围更广。
  • 图  1  塞块量热计结构示意图

    Figure  1.  Structure of slug calorimeter

    图  2  塞块量热计的传热模型

    Figure  2.  Heat transfer model of slug calorimeter

    图  3  塞块式量热计的仿真模型

    Figure  3.  Simulation model of slug calorimeter

    图  4  塞块式量热计不同部位的温升曲线

    Figure  4.  Temperature rise curves of different parts in slug calorimeter

    图  5  塞块量热计的热流标定曲线

    Figure  5.  Heat flux calibration curve of slug calorimeter

    表  1  不同接触面的热阻值

    Table  1.   Thermal resistance of different contact surfaces

    接触热阻 接触热阻估计值
    /(10-3 m2·K·W-1)
    考察范围
    /(10-3 m2·K·W-1)
    说明
    R1, 4 10 1~100 光滑金属与小颗粒非金属接触,受力较小,接触热阻较大
    R2, 3 1 0.1~10 光滑金属与光滑非金属接触,有一定受力,接触热阻较小
    R5 10 1~100 光滑非金属与小颗粒非金属接触,受力小,接触热阻较大
    R6
    R7
    0.1
    0.1
    0.01~10
    0.01~10
    光滑金属与非金属接触,受力较大,接触热阻很小
    R8 0.01 0.001~0.1 两种光滑金属接触,受力较大,接触热阻极小
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    表  2  不同时间段的热流及误差

    Table  2.   The heat flux and error in different time periods


    拟合时间段
    /s
    未修正热流
    /(MW·m-2)
    误差ε
    /%
    热物性修正后的
    热流/(MW·m-2)
    1 0.5~0.7 0.964 3.616 0.975
    2 0.9~1.1 0.943 5.673 0.960
    3 1.3~1.5 0.925 7.522 0.947
    4 1.7~1.9 0.908 9.186 0.935
    5 2.1~2.3 0.896 10.412 0.928
    6 2.5~2.7 0.885 11.475 0.922
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    表  3  不同热阻下的计算误差

    Table  3.   Calculation error under different thermal resistance condition

    ε/% εR1, 4 εR2, 3 εR5 εR6 εR7 εR8
    0.1 R 3.5 6.6 2.9 2.8 2.9 2.9
    R 2.9 2.9 2.9 2.9 2.9 2.9
    10 R 2.8 0.4 2.9 3.1 2.9 2.9
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    表  4  不同热流下的计算误差

    Table  4.   Calculation error with different heat flux

    qin/(MW·m-2) 0.1 0.5 1.0 5.0 10.0
    dTb/dt/(K·s-1) 4.1 20.2 40.1 192.5 372.8
    qcal/(MW·m-2) 0.098 0.486 0.964 4.629 8.965
    ε/% 1.4 2.8 3.6 7.4 10.3
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    表  5  不同状态修正前后的误差对比

    Table  5.   Error comparison of different states before and after correction


    状态
    编号
    qstd
    /(MW·m-2)
    qcal
    /(MW·m-2)
    ε
    /%
    qcor
    /(MW·m-2)
    ε′
    /%
    1 0.889 0.869 2.2 0.889 0
    2 1.222 1.177 3.7 1.217 0.4
    1# 3 1.566 1.507 3.8 1.569 0.1
    4 1.95 1.869 4.2 1.955 0.2
    5 2.307 2.192 5.0 2.3 0.3
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    表  6  不同塞块量热计修正前后的误差对比

    Table  6.   Error comparison of different slug calorimeters before and after correction

    编号 标定曲线参数 εmax/% ε′max/%
    a b
    1# -0.039 1.068 5.0 0.4
    2# -0.004 1.094 8.9 0.8
    3# -0.011 1.061 5.4 0.4
    4# 0.021 1.056 7.8 1.3
    5# -0.040 1.098 8.1 1.7
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    表  7  接触热阻的求解过程

    Table  7.   Solution process of contact thermal resistance

    迭代轮次 1 2 3 4
    输入热流
    /(MW·m-2)
    0.889 0.889 1.222 1.566
    试验温升率
    /(K·s-1)
    36.15 36.15 48.95 62.65
    接触热阻值
    /(10-3 m2·K·W-1)
    1.0 1.7 1.7 1.7
    仿真温升率
    /(K·s-1)
    35.69 36.03 49.29 62.88
    温升率偏差/% 1.25 0.35 0.70 0.36
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    表  8  入射热流的求解过程

    Table  8.   Solution process of incident heat flux

    迭代轮次 1 2 3 1 2
    试验温升率
    /(K·s-1)
    77.70 77.70 77.70 91.15 91.15
    仿真输入热流
    /(MW·m-2)
    1.869 1.900 1.930 2.192 2.300
    仿真温升率
    /(K·s-1)
    74.70 75.90 77.10 87.29 91.46
    温升率偏差
    /%
    3.80 2.20 0.70 4.20 0.34
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-22
  • 修回日期:  2019-12-29
  • 刊出日期:  2020-10-25

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    2021年8月13日