縱橫式滯止罩設計方案研究

佟顯義，趙國昌，宋麗萍，趙春雷

（沈陽航空航天大學航空航天工程學部（院）高等教育研究所，遼寧 沈陽 110136）

縱橫式滯止罩設計方案研究

佟顯義，趙國昌，宋麗萍，趙春雷

（沈陽航空航天大學航空航天工程學部（院）高等教育研究所，遼寧 沈陽 110136）

為提高總溫傳感器的測量準確度，以溫度傳感器滯止理論為基礎，根據現有的設計經驗合理設計一種與傳感器探針配套使用的滯止罩，滯止罩采用縱橫式結構設計。給出不同的測試環(huán)境及測溫范圍下滯止罩材料的選取建議；在氣流溫度為1000K、氣流速度馬赫數為0.5的條件下，利用CFD軟件對在不同的滯止罩氣流進出口面積比、不同的傳感器探針探測長度、不同的主滯止室擴張角等3組條件下進行數值仿真，得到9種工況下滯止室內氣流速度分布及探針表面的溫度分布。經對比研究分析得到縱橫式滯止罩對高速流動氣體具有較好的滯止效果。

總溫傳感器；縱橫式滯止罩；滯止罩結構設計；數值仿真；測量誤差

0 引 言

在航空航天領域中，快速準確測量燃燒室進出口氣流溫度，能為發(fā)動機進氣道及尾噴管的優(yōu)化設計提供重要的參考數據。目前，燃燒流場的準確測量是一直困擾測試工作者的難題，對于世界各國都在著力研究的超燃沖壓發(fā)動機，其燃燒室出口燃氣流溫度場的準確測量更是一大技術難題。實際測量高速高溫燃氣流溫度時，為了使傳感器測量的溫度最大限度接近真實溫度，通常將傳感器探針與合適的滯止罩配套做成總溫探針樣式。制作一個理想的滯止罩需要綜合考慮滯止罩總體結構的設計、材料的選取及加工制作等多方面問題。使用總溫探針進行實際測試時，氣流經滯止室及傳感器探頭的雙重滯止，正向流動速度迅速減小，氣流基本上將動能全部轉變?yōu)闊崮埽蓺饬鞲咚倭鲃铀鶐淼乃俣日`差也將迅速減小。滯止罩材料的選取必須同時滿足傳感器測試環(huán)境、測溫范圍的要求，以降低傳感器損壞的機率。本文按照設計要求建立物理模型，使用CFD軟件模擬滯止室內流場結構及探針表面溫度場分布，通過對模擬結果進行對比研究來確定滯止罩設計的最佳方案。

1 傳感器滯止理論

在熱工流體力學中[1-2]，氣流的總溫Tt由靜溫T和動溫Tν兩部分組成。靜溫是度量氣體分子自由運動的動能；動溫是度量氣體分子作定向運動的動能。

式中：ν——氣流速度；

cp——定壓比熱；

k=cp/cν——氣體定壓比熱與定容比熱之比，燃氣的k≈1.33；

Ma——氣流馬赫數。

總溫傳感器的特殊結構能將流經它的高速氣流快速滯止。當氣流經過傳感器探頭表面時，受黏性摩擦阻力作用，在緊貼傳感器探頭的一側面形成薄薄的黏性底層，即附面層。在附面層內，氣流速度迅速減小,到探針表面幾乎減小為零，此時氣流將動能轉變?yōu)闊崮?緊貼探頭的氣流溫度升高，如果沒有熱量耗散，傳感器能準確測量到氣流的總溫Tt。在附面層內，隨著氣流速度的減小，靜溫升高，緊貼探頭的氣流向溫度較低的外層氣流傳遞熱量，當兩者達到熱平衡時，傳感器探針測量到的溫度是氣流的有效溫度Tg。傳感器測量到氣流溫度與氣流總溫的偏差，即測量誤差。通常用復溫系數r表示氣流絕能滯止時動能轉化為熱能的程度[3]：

裸露式探針通過氣流碰撞及探針表面黏性摩擦阻力的綜合作用實現高速氣流的滯止，復溫系數較小，約為0.65。提高復溫系數的方法是在傳感器裸露探針外端合理設計一個滯止罩，當高速氣流進入滯止罩受到滯止室及傳感器探針的雙重滯止時，復溫系數能提高到0.86～0.96。

總溫測量的誤差主要包括：速度誤差（高速氣流沒有完全滯止）、導熱誤差（沿傳感器探針傳導損耗的熱量）、對流換熱誤差、輻射誤差(傳感器熱端向低溫壁面輻射傳遞熱量)和動態(tài)響應誤差（傳感器測量端的熱慣性）等。

2 滯止罩的結構設計

總溫測量的關鍵是總溫探針憑借自身的特殊結構將高速氣流有效滯止，而復溫系數r則是滯止室和探針表面對高速氣流兩次滯止效應的綜合結果。本設計如圖1所示，以前人[4-5]研究及測試為基礎，滯止罩的主體采用縱橫式結構，主滯止室采用擴張的鐘口型結構，主要包括滯止罩進出口面積比、滯止室徑向尺寸及滯止室長度等。

2.1 滯止罩進出口面積比

滯止罩進出口面積比直接影響滯止室的內流馬赫數，而速度誤差是內流馬赫數的函數。為了得到傳感器準確的測量結果，可以通過調節(jié)內流馬赫數來減小速度誤差，但這樣又會帶來較大的導熱誤差和輻射誤差。研究[6]證明：內流馬赫數在0.08～0.15時，總測量誤差最小。根據經驗及模擬試驗結果得到滯止罩進出口最佳的面積比[3，7]為

式中：R——滯止罩進出口面積比；

A0——滯止罩進口面積；

n——滯止罩放氣孔個數；

Ai——滯止罩某個放氣孔面積。

當滯止罩進出口面積比＞10時，傳感器熱慣性時間變長；當面積比約5時，復溫系數r減小。

2.2 滯止室徑向尺寸

測量高溫燃氣時，傳感器探頭與滯止室內壁面之間發(fā)生劇烈的輻射換熱，輻射誤差將隨滯止室內徑的增大而增大。為了減小輻射誤差，滯止室內徑盡可能小，但滯止室的內徑過小，傳感器探頭將湮沒在滯止室內壁面的附面層內，導致探針測量溫度偏離燃氣的真實溫度；因此，實際測量時還要考慮傳感器探頭的結構尺寸。另外，滯止罩的壁面厚度在機械強度允許的條件下要盡量的薄，這樣既能減小熱傳導損失，又能減小輻射誤差。

2.3 滯止室長度

傳感器探頭固定位置、放氣孔位置和測試空間綜合決定了滯止室的長度L。為了減少傳感器探頭向滯止室的外部傳遞熱量，探頭應固定在距離滯止室進出口的適當位置[8]；為了有效提高氣流滯止速率，放氣孔對稱均勻分布在傳感器探頭稍后的側壁上[9]。

3 滯止罩材料的選取

為了延長總溫傳感器在高速高焓氣流場中的使用壽命，滯止罩的材料須同時滿足試驗環(huán)境和測溫范圍的要求。在1373K以下的氣流場中測試，通常選用碳素鋼、不銹鋼材料；在1473K以上氣流場中測試，一般選用特種陶瓷材料。同時滿足機械強度高、耐高溫、抗腐蝕等特性要求的，適合制作滯止罩的特種陶瓷材料如表1所示[3]。應用最廣泛的是氧化鋁陶瓷，其氧化鋁含量越高性能越穩(wěn)定。陶瓷的致密度越高、氣孔率越低、晶粒越細小，則機械強度越高、熱穩(wěn)定性越好。

表1 幾種常用的氧化物陶瓷材料

圖1 總溫探針結構剖面圖

4 滯止室的仿真模擬

利用CFD軟件對總溫傳感器滯止室內部的流場結構及探針表面溫度分布進行數值仿真。分別在滯止罩進出口的面積比R為11.1，6.25和4.0，傳感器探針探測長度H為10，15，20mm，主滯止室擴張角α為5°、10°和15°，3組9種工況下建立計算模型，并分別進行傳熱模擬。滯止罩數值模擬部分的網格劃分如圖2所示。

圖2 滯止罩數值模擬部分的網格劃分

本文基于壓力求解曲線坐標系下的守恒N-S方程，采用按時間推進的控制體積法（FVM）進行CFD數值模擬。為了提高收斂速率及求解精度，離散動量方程選用耦合隱式格式及二階迎風格式；離散湍流動能和湍流耗散率采用Quick格式，湍流模型選用通過重正規(guī)化群理論分析的（RNG）k-ε模型[10]。

在進行CFD數值仿真計算時，氣流總溫T*=1000K，氣流速度為Ma=0.5。為了簡化模擬，流體選為煙氣，氣流總壓p*=117693Pa，大氣壓強p=105Pa。根據文獻[11]，氣流入口取為壓力入口，出口取為壓力出口，壁面為無滑移的等溫壁面。

圖3和圖4為探針探測長度H為15 mm，主滯止室的擴張角α=5°，滯止罩進出口的面積比R分別11.1，6.25和4.0時，滯止室內氣流速度分布云圖和探針表面溫度分布云圖。滯止罩進出口的面積比不同，滯止室內的速度場分布變化不大。模擬結果計算得到3種工況下傳感器探針的復溫系數r分別為：0.944，0.934和0.895。滯止罩進出口的最佳面積比為5≤R≤10，當R=11.1時滯止室的滯止效果好，但滯止室內燃氣流動狀況差，與外界燃氣交換過于緩慢，傳感器探針熱慣性大；當R=4時，滯止室的滯止效果差，雖然滯止室內燃氣流動效果好，與外界燃氣交換過快，但傳感器探針測量溫度偏低，傳感器探針的復溫系數小。

圖3 滯止罩進出口的面積比分別為11.1，6.25和4.0時，滯止室內氣流速度分布云圖

圖4 滯止罩進出口的面積比分別為11.1，6.25和4.0時，探針表面溫度分布云圖

圖5和圖6為R=6.25，主滯止室的擴張角α=5°，探針探測長度H分別為10，15，20mm時，滯止室內氣流速度分布云圖和探針表面溫度分布云圖。探針的探測長度影響滯止室內速度場分布。模擬計算得到3種工況下傳感器探針的復溫系數r分別為0.869，0.934和0.948。滯止罩探針的最佳探測長度為15 mm≤H≤20mm。當H＞20mm時，探針熱端與外界低溫氣流輻射換熱劇烈，造成測量溫度偏低；當H約15mm時，氣流與滯止室內壁面輻射換熱、探針熱端通過溢流孔與外界低溫氣流輻射換熱加大，也造成測量溫度偏低。

圖5 H為10，15，20mm時，滯止室內氣流速度分布云圖

圖6 H為10，15，20mm時，探針表面溫度分布云圖

圖7 α為5°、10°和15°時，滯止室內氣流速度分布云圖

圖8 α為5°、10°和15°時，探針表面溫度分布云圖

圖7和圖8為R=6.25，H=15 mm，α分別為5°、10°和15°時，滯止室內氣流速度分布和探針表面溫度分布云圖。模擬計算得到3種工況下傳感器探針的復溫系數r分別為：0.934，0.927和0.873，滯止罩主滯止室的最佳擴張角為5°≤α≤10°。當α約5°時，滯止室的滯止效果較差，探針的測量溫度偏低；當α＞10°時，滯止室的滯止效果好，但滯止空間較大，探針探測位置不好確定。

5 結束語

為了減小傳感器測量高速高焓氣流溫度的測量誤差，設計了縱橫式滯止罩。在9種工況下建立總溫傳感器物理模型，通過CFD軟件進行數值仿真，對模擬結果進行對比分析，得到如下結論：滯止罩進出口最佳面積比為5≤R≤10；滯止罩的探針最佳探測長度15 mm≤H≤20mm；主滯止室的最佳擴張角5°≤α≤10°。據此設計制作的滯止罩對高速流動氣流的滯止效果好。

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A design scheme of crossbar stagnation hoods

TONG Xianyi，ZHAO Guochang，SONG Liping，ZHAO Chunlei
（Faculty of Aerospace Engineering，Institute of High Education，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

In order to improve the measuring accuracy of total temperature sensors，a stagnation hood of crossbar structure was designed to match with the sensor probe based on the stagnation theory of temperature sensors and current design experience.Recommendations were given to select stagnation hood materials under different testing conditions and measurement ranges.Under the conditions of 1 000 K-air flow temperature and 0.5Ma-air velocity，CFD software was used for numerical simulation based on different air import/export area ratios of stagnation hoods，detection lengths of sensors，extending angles of primary stagnation chambers.In this way，the distribution of airflow velocity inside stagnation chambers and of probe surface temperature was detected under nine working conditions.A best design scheme for crossbar stagnation hoods was obtained through the above comparative analysis.

total temperature sensor；crossbar stagnation hood；structural design of stagnation hood；numerical simulation；measurement error

A

：1674-5124（2015）05-0070-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.018

2014-10-10；

：2014-12-25

航空科學基金資助項目（20131954004）

佟顯義（1986-），男，遼寧大石橋市人，碩士研究生，專業(yè)方向為航空發(fā)動機溫度測量。