叠片式电弧加热器工作特性诊断系统及诊断方法与流程

本发明涉及叠片式电弧加热器工作特性诊断系统及诊断方法，属于飞行器地面气动热试验研究领域。

背景技术：

电弧风洞是进行高超声速飞行器再入和热防护研究的重要地面试验设备，是各航天大国进行空间探索的关键技术之一和核心竞争力。高超声速飞行器再入大气层,由于强激波和粘性滞止，激波波后温度可达几千甚至上万k,飞行器面临剧烈的气动加热:飞行器周围气体被离解、电离为等离子体，再入流场经历热力学平动、振动、转动、电子温度的变化和气体组分的激发、离解、复合和电离的化学反应过程，加上飞行器表面催化效应和氧化机制的影响，飞行器再入流场过程非常复杂，是飞行器热防护研究的重点。电弧风洞通过电弧加热方式产生高焓等离子体气流，模拟飞行器再入流场条件，进行飞行器防热研究的地面试验，而其中关键在于地面风洞设备准确模拟再入过程的热参数：总焓和热流。

目前已有的电弧加热器设备主要有管式、分段、交流、叠片几种方式。叠片式电弧加热器通过拉长电弧通道，提高电弧能量密度，可以获得很高的气流焓值，是目前进行高焓地面防热考核试验的主要设备。叠片加热器试验调试是通过改变电流和进气流量来调节气流参数，采用平衡声速法获得气流焓值。国外方面,关于叠片式电弧加热器工作特性的实验研究集中在对于其焓压特性的研究，可追溯到上世纪70年代，美国aedc研究中心采用实验手段研究了5mw叠片电弧加热器的焓压特性，之后该研究机构陆续开展了对该类型电弧加热器焓压特性的实验研究。nasaames研究中心的f.s.milos发展了arcflo高焓流场计算程序，开展了电弧加热器工作特性的数值模拟工作。近年来，韩国首尔大学的sooseokchoi等人数值模拟了400kw叠片式电弧加热器的工作特性，研究了加热器运行参数范围内(电流：300-500a,流量：6-14g/s)等离子体高温气流参数的变化。德国stuttgart大学jeonglee等人针对750kw叠片式电弧加热器，采用数值模拟研究了不同运行电弧电流和进气流量下加热器的工作特性。nasaames研究中心的tahir等人数值模拟了10mw高压叠片电弧加热器的工作特性。目前的研究中，由于缺乏对叠片加热器工作特性的系统研究，探讨气流总焓与加热器运行电流和进气流量的定量关系，在具体的工程实践中，加热器调试无法直接、迅速的获取所需的气流总焓，因此有必要开展相关的研究，获得气流焓值随气流量、运行电弧电流变化的定量演化规律，对进一步深入了解叠片电弧加热器工作特性以及型号试验工程实践都有非常大的促进作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供叠片式电弧加热器工作特性诊断系统，利用平衡声速法焓值测量方法研究叠片式加热器运行范围内气流焓值与电弧加热器调节参数之间的规律，通过系统的研究，获得气流焓值与电弧加热器质量流量、电流之间的定量关系，可直接评估不同运行加热器运行参数下等离子体气流的焓值，提高了飞行器地面试验过程中气动热参数的调试效率，有益于工程型号试验的迅速开展。

本发明的另外一个目的在于提供叠片式电弧加热器工作特性诊断方法。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

叠片式电弧加热器工作特性诊断系统，包括电源系统、压力测量装置、流量测量装置和数据分析终端，其中：

数据分析终端接收电源系统设定的电流值i、压力测量装置测量的外部电弧加热器前电极下游的压力p0、以及流量测量装置测量的外部喷管出口的超声速气流的质量流量

数据分析终端根据所述外部电弧加热器前电极下游的压力p0和外部喷管出口的超声速气流的质量流量得到气流焓值h0；

数据分析终端对所述电流值i、质量流量及对应的气流焓值h0进行拟合，分别获得所述电流值i对气流焓值h0的幂指数系数a和所述质量流量对气流焓值h0的幂指数系数b，得到外部电弧加热器工作特性的定量关系表达式如下：

在上述叠片式电弧加热器工作特性诊断系统中，所述外部喷管出口的超声速气流通过电源系统设定电流i，外部电弧加热器的前电极和后电极之间放电击穿产生电弧，对进入的质量流量的试验介质进行加热，再经外部喷管膨胀加速后在喷管出口形成。

在上述叠片式电弧加热器工作特性诊断系统中，所述数据分析终端根据所述外部电弧加热器前电极下游的压力p0和外部喷管出口的超声速气流的质量流量得到气流焓值h0的具体方法如下：

其中：a*为外部喷管(3)的喉道面积。

在上述叠片式电弧加热器工作特性诊断系统中，所述外部电弧加热器为焓值范围在8～20mj/kg的高焓叠片式电弧加热器。

在上述叠片式电弧加热器工作特性诊断系统中，所述压力测量装置为yzd-2b型压力传感器，量程覆盖0～100kpa到0～15mpa。

在上述叠片式电弧加热器工作特性诊断系统中，所述流量测量装置为音速喷嘴；所述音速喷嘴测量质量流量是通过喷嘴上游压力和喷嘴喉道面积获得，且音速喷嘴上下游压力比大于2。

在上述叠片式电弧加热器工作特性诊断系统中，所述数据分析终端为基于matlab、originlab或excel软件开发环境。

叠片式电弧加热器工作特性诊断方法，包括如下步骤：

步骤(1)、电源系统设定电流i，外部电弧加热器的前电极和后电极之间放电击穿产生电弧，对进入的质量流量的试验介质进行加热，再经外部喷管膨胀加速后在喷管出口形成超声速气流；

步骤(2)、压力测量装置测量外部电弧加热器前电极下游的压力p0，发送至数据分析终端；流量测量装置测量外部喷管出口的超声速气流的质量流量发送至数据分析终端；

步骤(3)、数据分析终端接收电源系统设定的电流值i、压力测量装置测量的外部电弧加热器前电极下游的压力p0，以及流量测量装置测量的外部喷管出口的超声速气流的质量流量

步骤(4)、数据分析终端根据所述外部电弧加热器前电极下游的压力p0和外部喷管出口的超声速气流的质量流量得到气流焓值h0；

步骤(5)、数据分析终端对所述电流值i、质量流量及对应气流焓值h0进行拟合，分别获得所述电流值i对气流焓值h0的幂指数系数a和所述质量流量对气流焓值h0的幂指数系数b，得到外部电弧加热器工作特性的定量关系表达式如下：

在上述叠片式电弧加热器工作特性诊断方法中，根据外部电弧加热器的电流值i和试验介质的质量流量利用所述外部电弧加热器工作特性的定量关系表达式直接确定气动热防热材料考核需模拟的气流焓值参数h0。

在上述叠片式电弧加热器工作特性诊断方法中，所述步骤(4)中数据分析终端根据所述外部电弧加热器前电极下游的压力p0和外部喷管出口的超声速气流的质量流量得到气流焓值h0的具体方法如下：

其中：a^*是外部喷管的喉道面积。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明利用平衡声速法焓值测量方法，研究叠片式加热器运行范围内气流焓值与电弧加热器调节参数之间的规律，获得气流焓值与电弧加热器质量流量、电流之间的定量关系，对于开展电弧加热器理论研究有极大裨益。

(2)、本发明根据叠片式加热器运行范围内气流焓值与电弧加热器调节参数之间的规律，设计一种新型的叠片式电弧加热器工作特性诊断系统，直接应用于电弧加热器气动热地面试验，通过调节电弧加热器进入试验介质的质量流量和运行电流，可直接定量评估不同运行加热器运行参数下等离子体气流的焓值，提高了飞行器地面试验过程中气动热参数的调试效率，有益于工程型号试验的迅速开展。

(3)、本发明提出了一种研究气流焓值与叠片式电弧加热器运行参数之间的直接量化诊断方法，有利于定量认识叠片式电弧加热器的工作特性。

(4)、本发明提出了关于叠片式电弧加热器工作特性的直接定量诊断方法，可以拓展应用于管式、交流、分段等其他类型电弧加热器，具有极大的适用性。

附图说明

图1为本发明叠片式电弧加热器工作特性诊断系统结构布局图。

图2为本发明实施例1中10mw高压叠片式电弧加热器气流焓值与质量流量、电流之间的定量关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明叠片式电弧加热器工作特性诊断系统结构布局图，由图可知本发明叠片式电弧加热器工作特性诊断系统包括电源系统2、压力测量装置4、流量测量装置5和数据分析终端6。

其中电源系统2用于设定电流值i，压力测量装置4用于测量外部电弧加热器1前电极下游的压力p0，流量测量装置5用于测量外部喷管3出口的超声速气流的质量流量

外部喷管3出口的超声速气流通过电源系统2设定电流i，外部电弧加热器1的前电极和后电极之间放电击穿产生电弧，对进入的质量流量的试验介质进行加热，再经外部喷管3膨胀加速后在喷管出口形成。

数据分析终端6接收电源系统2设定的电流值i、压力测量装置4测量的外部电弧加热器1前电极下游的压力p0，以及流量测量装置5测量的外部喷管3出口的超声速气流的质量流量

数据分析终端6根据外部电弧加热器1前电极下游的压力p0和外部喷管3出口的超声速气流的质量流量得到气流焓值h0，具体方法如下：

其中：a*为外部喷管3的喉道面积。

数据分析终端6对上述电流值i、质量流量及对应的气流焓值h0进行拟合，分别获得电流值i对气流焓值h0的幂指数系数a和质量流量对气流焓值h0的幂指数系数b，得到外部电弧加热器1工作特性的定量关系表达式如下：

a，b分别是拟合获得的电流幂指数和质量流量幂指数，通过这样的公式表示就可以分别了解气流焓值随电流的变化和气流焓值随质量流量的变化，a，b幂指数表征相应的灵敏度，其具体大小的获得通过下述方式得到：通过多次试验，获得电弧加热器运行电流和质量流量范围内气流焓值的大小，通过电流、质量流量双变量幂函数拟合获得的a，b具体值。

实际应用中，根据外部电弧加热器1的电流值i和试验介质的质量流量利用外部电弧加热器1工作特性的定量关系表达式可以直接确定气动热防热材料考核需模拟的气流焓值参数h0。

外部电弧加热器1为焓值范围在8～20mj/kg的高焓叠片式电弧加热器。

压力测量装置4为yzd-2b型压力传感器，量程覆盖0～100kpa到0～15mpa。

流量测量装置5为音速喷嘴；音速喷嘴测量质量流量是通过喷嘴上游压力和喷嘴喉道面积获得，且音速喷嘴上下游压力比大于2。音速喷嘴测量流量的原理满足：

其中：γ为试验介质气体的绝热指数，r为试验介质气体常数；p为音速喷嘴上游的压力；a为音速喷嘴的喉道截面积，t0为音速喷嘴上游的试验介质总温。

喷管3为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管，既可以是超声速喷管，也可以是亚声速喷管。

数据分析终端6为基于matlab、originlab或excel软件开发环境进行数据的提取分析。

本发明一种叠片式电弧加热器工作特性诊断方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)、电源系统2设定电流i，外部电弧加热器1的前电极和后电极之间放电击穿产生电弧，对进入的质量流量的试验介质进行加热，再经外部喷管(3)膨胀加速后在喷管出口形成超声速气流。

步骤(2)、压力测量装置4测量外部电弧加热器1前电极下游的压力p0，发送至数据分析终端6；流量测量装置5测量外部喷管3出口的超声速气流的质量流量发送至数据分析终端6。

步骤(3)、数据分析终端6接收电源系统2设定的电流值i、压力测量装置4测量的外部电弧加热器1前电极下游的压力p0，以及流量测量装置5测量的外部喷管3出口的超声速气流的质量流量

步骤(4)、数据分析终端6根据所述外部电弧加热器1前电极下游的压力p0和外部喷管3出口的超声速气流的质量流量得到气流焓值h0。

步骤(5)、数据分析终端6对所述电流值i、质量流量及对应气流焓值h0进行拟合，分别获得所述电流值i对气流焓值h0的幂指数系数a和所述质量流量对气流焓值h0的幂指数系数b，得到外部电弧加热器1工作特性的定量关系表达式如下：

根据外部电弧加热器(1)的电流值i和试验介质的质量流量利用所述外部电弧加热器1工作特性的定量关系表达式可以直接确定气动热防热材料考核需模拟的气流焓值参数h0。

实施例1

以10mw高压叠片电弧加热器为例，如图1所示给出本发明实施例1中的叠片式电弧加热器工作特性诊断系统结构布局图。电弧加热器1通过电源系统2设定电流，前电极和后电极之间放电击穿产生电弧，对进入的试验介质进行加热，形成高温气流，高温气流经喷管3膨胀加速后在喷管出口形成高速气流。

电弧加热器1的输入参数为电源系统2给定的电流和流量测量装置5实测的试验介质气体质量流量，电弧加热器1形成的高温气流，表征其能量的参数是气流焓值，气流焓值是电弧加热器1的输出参数，通过在电弧加热器1的输入参数和输出参数之间建立定量的关系，获得其量化的规律特性，可以加深对电弧加热器1的了解。

电弧加热器1的气流焓值与电流、质量流量之间的对应关系通过下述方式实现：

为了解耦气流焓值与电流、质量流量之间的关系，其定量关系可以用公式表示为：

a，b分别是拟合获得的电流幂指数和质量流量幂指数,通过这样的公式表示就可以分别了解气流焓值随电流的变化和气流焓值随质量流量的变化，a，b幂指数表征相应的灵敏度，其具体大小的获得通过下述方式得到：通过多次试验，获得电弧加热器运行电流和质量流量范围内气流焓值的大小，通过电流、质量流量双变量幂函数拟合获得的a，b具体值。

其中多次试验中气流焓值的获取遵循平衡声速法的标准，其具体的公式满足：

p0是压力测量装置4测量的压力值，a*是喷管3的喉道面积，是流量测量装置5获得的流量，流量测量装置5是音速喷嘴，其测量流量的原理满足：

式中，γ为试验介质气体的绝热指数，r为试验介质气体常数；p为音速喷嘴上游的压力；a为音速喷嘴的喉道截面积，t0为音速喷嘴上游的试验介质总温。

具体地，本发明实施例中，电弧加热器1为焓值范围在8-20mj/kg的高焓叠片式电弧加热器。

具体地，本发明实施例中，喷管3为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管，既可以是超声速喷管，也可以是亚声速喷管。

具体地，本发明实施例中，压力测量装置4是yzd-2b型压力传感器，量程覆盖0-100kpa到0-15mpa。

具体地，本发明实施例中，流量测量装置5是音速喷嘴，音速喷嘴测量质量流量的原理是通过喷嘴上游压力和喷嘴喉道面积获得，要求音速喷嘴上下游压力比大于2。

具体地，本发明实施例中，数据分析终端6是可基于matlab、originlab或excel等软件开发环境进行数据的提取分析。

如图2所示为本发明实施例1中10mw高压叠片式电弧加热器气流焓值与质量流量、电流之间的定量关系。a的拟合值是0.687，b的拟合值是-0.275。显示出气流焓值h0与电流i之间是正相关的，气流焓值h0与质量流量之间是正相关的：

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。