準(zhǔn)一維傳熱下冷面絕熱邊界材料對隔熱試驗(yàn)結(jié)果的影響

夏吝時 楊海龍 錢 麗 孫 波 張春偉

（1 北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

（2 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 為評估冷面絕熱邊界對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在充分驗(yàn)證測控系統(tǒng)可控性和試驗(yàn)方法穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，分別以柔性隔熱氈、剛性隔熱瓦和納米隔熱材料為冷面絕熱邊界，對陶瓷纖維剛性隔熱材料進(jìn)行500 ℃、3 000 s 的石英燈熱輻射考核試驗(yàn)，并利用迭代絕熱邊界當(dāng)量熱導(dǎo)率的方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析。結(jié)果表明，以柔性隔熱氈為冷面絕熱邊界時隔熱材料的冷面溫度最高，剛性隔熱瓦和納米隔熱材料為冷面絕熱邊界時則冷面溫度較低且相近，3 者間最大相對偏差高達(dá)19.0%。模擬計(jì)算證實(shí)由冷面絕熱邊界材料引起的接觸熱阻對試驗(yàn)結(jié)果起到了決定性作用，而不簡單地取決于絕熱邊界材料的隔熱性能。

0 引言

在航空航天領(lǐng)域，世界各國著力發(fā)展的具有巡航、滑翔或軌道機(jī)動特征的新型飛行器飛行速度高、時間長，對熱防護(hù)系統(tǒng)的性能要求更加嚴(yán)苛［1］。隔熱材料作為熱防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系飛行試驗(yàn)的成敗。從工程應(yīng)用角度來講，地面熱環(huán)境模擬試驗(yàn)是評價(jià)隔熱材料性能的最直接和最有效手段。其中，石英燈熱輻射考核試驗(yàn)具有加熱成本低、時間長、功率大和熱效率高等突出特點(diǎn)，特別適用于隔熱材料性能考核與評價(jià)［2］。但是，由于這一考核測試國內(nèi)外尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無法保證每個測試單位的測試狀態(tài)完全相同，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果之間出現(xiàn)了不可忽略的較大差距，已引起相關(guān)學(xué)者的關(guān)注［3-5］。例如，北京航空航天大學(xué)的吳大方教授研究發(fā)現(xiàn)，石英燈陣列豎直放置、水平放置散熱面向上和向下時的試驗(yàn)結(jié)果最大偏差可高達(dá)19.7%［6］。隔熱材料往往不能獨(dú)立成型作為飛行器外殼體直接使用，因此其非受熱面較多處于封閉環(huán)境，如常用的剛性隔熱瓦材料因具有疏松輕質(zhì)的特點(diǎn)，安裝過程中常在冷面一側(cè)使用應(yīng)變隔離墊消除與金屬承力殼體間的形變應(yīng)力。本文以陶瓷纖維剛性隔熱材料為測試對象、冷面封閉條件為研究背景，在驗(yàn)證了被測隔熱材料性能和測試系統(tǒng)穩(wěn)定性后，以3種不同絕熱材料作為冷面絕熱邊界條件進(jìn)行了500 ℃、3 000 s的對比考核試驗(yàn)，并采用數(shù)值模擬方法結(jié)合冷面絕熱邊界材料的熱物性進(jìn)行了計(jì)算和分析，有望為隔熱材料性能的準(zhǔn)確評價(jià)以及飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時也為石英燈熱輻射考核試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的建立奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

圖1 為石英燈熱輻射考核試驗(yàn)測試件安裝示意圖。其中，石英燈陣列水平放置且輻射面朝下，對測試件的隔熱材料（300 mm×300 mm×25 mm）實(shí)施加熱；測試件周向以剛性隔熱瓦做絕熱保護(hù)，避免多余熱量從側(cè)面?zhèn)魅耄ＷC測試過程中實(shí)現(xiàn)一維傳熱；測試件熱面放置一塊300 mm×300 mm×5 mm 的高導(dǎo)熱石墨板作為均熱板，兩者之間緊密貼合；測試件受熱面幾何中心位置安裝控溫用熱電偶，該溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)定義為“熱面溫度”；隔熱材料冷面設(shè)置40 mm 厚的隔熱材料作為冷面絕熱邊界，并與水冷平臺緊密貼合，水冷平臺用于在熱環(huán)境加載過程中承載測試件和各絕熱邊界；測試件的冷面幾何中心位置兩側(cè)間距20 mm 處同樣安裝熱電偶，用于監(jiān)測試驗(yàn)件的冷面溫度變化，該溫度定義為“冷面溫度”。

圖1 試驗(yàn)方案示意圖Fig.1 Test set-up

1.2 試驗(yàn)條件和測試

隔熱材料的熱試驗(yàn)考核條件：500 s 升至500 ℃，再恒溫2 500 s，試驗(yàn)總時長3 000 s。共對5件同種隔熱材料進(jìn)行了15次試驗(yàn)，表1和表2為測試方案及作為冷面絕熱邊界材料的熱物性參數(shù)表［7-11］，樣件A 和B用于驗(yàn)證隔熱材料性能和測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其余用于對比試驗(yàn)。

表1 測試方案Tab.1 Test scheme

表2 冷面絕熱邊界材料的熱物性數(shù)據(jù)Tab.2 Thermal properties data of cold surface adiabatic boundary materials

2 結(jié)果與討論

2.1 測控系統(tǒng)的可控性和試驗(yàn)方法的穩(wěn)定性

圖2 為測試件A 和B 的實(shí)測數(shù)據(jù)。由熱面溫度曲線可以看到，500 s 時溫度升至500 ℃，超調(diào)后在530 s內(nèi)便可進(jìn)入（500±1）℃的穩(wěn)定狀態(tài)，并且6 次的實(shí)測數(shù)據(jù)差距很小，整個控制過程的溫度與設(shè)計(jì)目標(biāo)溫度基本一致，說明測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性良好，滿足研究需求。

圖2 驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.2 Measured cold surface temperature（verification test）

圖3 為對比試驗(yàn)結(jié)果。由相同冷面絕熱邊界材料下的測試件測點(diǎn)a、b實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，單次試驗(yàn)中測試件末時刻冷面溫度數(shù)據(jù)基本一致，說明隔熱材料在多次測試過程中性能不會發(fā)生明顯變化，這種性能的穩(wěn)定性為本文研究提供了良好基礎(chǔ)。同時也說明試驗(yàn)方法的重復(fù)性和穩(wěn)定性較高。

圖3 熱環(huán)境500℃冷面溫度實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.3 Measured cold surface temperature（comparative test）

2.2 不同冷面絕熱邊界材料典型試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖3可知，柔性隔熱氈作為冷面絕熱邊界時3 000 s 末時刻測試件的冷面溫度最高，剛性隔熱瓦和納米隔熱材料作為冷面絕熱邊界時較低且相近。具體來說，絕熱邊界為柔性隔熱氈時的冷面溫度均值相對冷面絕熱邊界為剛性隔熱瓦時高16.8%，相對冷面絕熱邊界為納米隔熱材料時高16.1，冷面絕熱邊界為剛性隔熱瓦時相對納米隔熱材料僅低0.6%，單次試驗(yàn)中冷面絕熱邊界為柔性隔熱氈時的冷面溫度相對剛性隔熱瓦時最多高達(dá)19.0 。

從傳熱理論上來說，作為冷面絕熱邊界材料的隔熱性能將對測試件的冷面溫度起到?jīng)Q定性作用，且其隔熱性能越好，測試件的冷面溫度應(yīng)該越高。由表2中冷面絕熱材料的熱物性可知，納米隔熱材料作為冷面絕熱邊界時測試件的冷面溫度應(yīng)該最高，剛性隔熱瓦次之，柔性隔熱氈最低。但是，這分析結(jié)論顯然與實(shí)測結(jié)果相矛盾。

上述分析是基于測試件與冷面絕熱邊界材料之間緊密接觸的理想狀態(tài)得出的。實(shí)際上，材料表面并非完全光滑平整，以宏觀上最為平整光滑的剛性隔熱瓦為例，使用便攜式粗糙度儀測試獲得的輪廓平均粗糙度Ra=9.638 μm、輪廓最大高度Rz=54.172 μm 和長度內(nèi)輪廓最高點(diǎn)和最低點(diǎn)間距Rmax=57.643 μm。因此，測試過程中無法保證與測試件之間為緊密接觸，需要對偏離理想狀態(tài)情況進(jìn)行再分析。

2.3 模擬計(jì)算、分析與驗(yàn)證

傳熱學(xué)理論認(rèn)為，相互接觸的兩固體表面間因粗糙度而產(chǎn)生的介質(zhì)熱阻將阻礙熱流傳播，圖4為接觸面?zhèn)鳠崾疽鈭D。接觸面上接觸點(diǎn)熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞，接觸間隙內(nèi)熱量則通過熱輻射的方式傳遞。這種介質(zhì)熱阻常被稱為“接觸熱阻”，將導(dǎo)致絕熱邊界的熱導(dǎo)率發(fā)生巨大變化，即引起絕熱邊界隔熱性能發(fā)生改變。

圖4 接觸面?zhèn)鳠崾疽鈭DFig.4 Schematic diagram of heat transfer at the contact surface

利用Workbench 商業(yè)軟件將圖1 所示的傳熱模型等效為三層平壁結(jié)構(gòu)，由上至下分別為測試件層、接觸面層和底部絕熱層。因接觸面間空氣不流動，忽略對流換熱影響，在準(zhǔn)一維傳熱過程中，在已知測試件熱導(dǎo)率k1的前提下，將接觸間隙空氣熱導(dǎo)率k2和絕熱材料熱導(dǎo)率k3疊加得到接觸面當(dāng)量熱導(dǎo)率kx，由（1）式表示：

式中，η為考慮微元面間輻射換熱的效率系數(shù)。

為進(jìn)一步定量研究材料熱物性及接觸熱阻對冷面溫度的影響，采用絕熱邊界當(dāng)量熱導(dǎo)率迭代方法對測試件冷面溫度進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果見圖5。

圖5 熱環(huán)境500℃冷面溫度計(jì)算值Fig.5 Calculated temperature cold surface at 500°C

由模擬計(jì)算結(jié)果可以看到，未考慮接觸熱阻時與上述傳熱學(xué)理論分析結(jié)論一致，但與實(shí)測數(shù)據(jù)存在很大差距，而考慮接觸熱阻后模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，說明接觸熱阻對冷面溫度試驗(yàn)結(jié)果造成了不可忽略的影響，并導(dǎo)致實(shí)測結(jié)果與理想狀態(tài)規(guī)律相矛盾，進(jìn)一步說明這種由接觸面表面粗糙度引起的接觸熱阻對試驗(yàn)結(jié)果造成了決定性影響。因此，石英燈熱輻射考核試驗(yàn)中，不僅要考慮絕熱邊界材料的隔熱性能，更應(yīng)注意絕熱邊界材料表面狀態(tài)帶來的影響。因此建議依據(jù)考核要求選擇合適的冷面絕熱邊界材料，或者在對比試驗(yàn)中嚴(yán)格要求冷面絕熱邊界材料及表面粗糙度等狀態(tài)，否則會對材料隔熱性能評價(jià)造成嚴(yán)重影響，甚至有可能導(dǎo)致顛覆性的試驗(yàn)結(jié)論。

3 結(jié)論

（1）柔性隔熱氈作為冷面絕熱邊界時，500 ℃、3 000 s時隔熱材料的冷面溫度最高，而以剛性隔熱瓦和納米隔熱材料作為冷面絕熱邊界時較低且相近，前一狀態(tài)的冷面溫度均值相對后兩狀態(tài)分別高16.8 %和16.1%，剛性隔熱瓦冷面絕熱邊界時較納米隔熱材料冷面絕熱邊界時僅低0.6 %。就單次試驗(yàn)而言，柔性隔熱氈冷面絕熱邊界時測試件的冷面溫度相對剛性隔熱瓦冷面絕熱邊界時最多高19.0 %。

（2）僅考慮冷面絕熱邊界材料的熱物性時，理論分析和傳熱模擬計(jì)算均表明，柔性隔熱氈冷面絕熱邊界時測試件的冷面溫度最高，剛性隔熱瓦次之，納米隔熱材料最低，與試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相矛盾。

（3）綜合考慮冷面絕熱邊界材料的熱物性及因材料表面粗糙引起的接觸熱阻時，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，說明測試過程中存在不可忽略的接觸熱阻，并對試驗(yàn)結(jié)果起到了決定性的作用。

（4）石英燈熱輻射考核試驗(yàn)中，需要依據(jù)考核要求選擇合適的冷面絕熱邊界材料，特別是在對比試驗(yàn)中要對冷面絕熱邊界材料及表面粗糙度等狀態(tài)做出明確要求，否則會對材料隔熱性能評價(jià)造成嚴(yán)重影響，甚至有可能得出顛覆性的試驗(yàn)結(jié)論。