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        高超聲速風(fēng)洞Ma中劈尖試件的紅外測溫

        2019-11-16 11:04:40張鳳何康馮世杰張佳明王文瑞李泉水路彥珍劉福海趙飛王鳳平
        中國測試 2019年7期

        張鳳 何康 馮世杰 張佳明 王文瑞 李泉水 路彥珍 劉福海 趙飛 王鳳平

        摘要:目前,紅外測溫技術(shù)在高溫非穩(wěn)態(tài)下的應(yīng)用研究還不成熟,而紅外測溫技術(shù)的關(guān)鍵在于發(fā)射率的準(zhǔn)確測量。為了測量高超聲速氣流下試件的溫度,同時(shí)采用MCS640高溫紅外熱像儀和GH3030高溫合金熱電偶對(duì)風(fēng)洞馬赫數(shù)5(M,=5)中的超高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼D6AC劈尖試件進(jìn)行溫度測量。首先,通過熱電偶和紅外熱像儀組合的匹配法校正試件的發(fā)射率,再設(shè)置熱像儀的發(fā)射率,測得試件駐點(diǎn)的溫度變化曲線和試件在不同時(shí)刻的熱圖。實(shí)驗(yàn)測得試件駐點(diǎn)的最高溫度為2019.3℃,對(duì)分析材料的燒蝕性能和防熱結(jié)構(gòu)的可靠性提供了參考。實(shí)驗(yàn)證明,該測溫方法可以用來測量高超聲速風(fēng)洞中試件的溫度。

        關(guān)鍵詞:紅外測溫;風(fēng)洞;熱電偶;發(fā)射率

        中圖分類號(hào):V211.74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-5124(2019)07-0037-05

        收稿日期:2018-02-05;收到修改稿日期:2018-03-16

        基金項(xiàng)目:國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ14014506,2011YQ14014507)

        作者簡介:張鳳(1992-),女,陜西西安市人,碩士研究生,專業(yè)方向?yàn)槲锢韺W(xué)。

        0 引言

        隨著航天技術(shù)的發(fā)展,高超聲速飛行器的功能日趨多樣,外形日益復(fù)雜[1],對(duì)飛行器熱防護(hù)性能的要求也越來越高,如低密度、低燒蝕率、承受更高燃?xì)鉁囟鹊取囟鹊臏y量在國防、科學(xué)研究及生產(chǎn)活動(dòng)中具有十分重要的作用[2]。風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)可用于航天領(lǐng)域高超聲速環(huán)境下的氣動(dòng)熱-力耦合作用對(duì)材料服役安全的影響等基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究。風(fēng)洞中測溫手段有熱電偶、液晶、相變漆和紅外熱像儀等。熱電偶具有成本低、測量簡單、單點(diǎn)測溫精度高等優(yōu)點(diǎn),但不能給出整體的溫度分布。相變漆和液晶技術(shù)能夠給出物體表面某一時(shí)刻的溫度分布,但數(shù)據(jù)處理繁雜、受超高溫限制[3]。紅外熱像儀能給出整個(gè)溫度場的溫度分布和目標(biāo)的動(dòng)態(tài)溫度變化過程,且具有速度快,不破壞物體表面等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述,紅外熱像儀是復(fù)雜環(huán)境下測溫的極佳選擇[4],對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)效率具有重要作用[5]。

        使用紅外測溫時(shí),發(fā)射率是決定測溫精度的關(guān)鍵因素。目前,很多研究人員開展了發(fā)射率測量的工作。孫曉剛等[6]提出一種自動(dòng)判別發(fā)射率和波長數(shù)學(xué)模型的方法,分析應(yīng)用此方法時(shí)各種測量誤差對(duì)真實(shí)溫度及發(fā)射率的影響。李文軍等[7]提出紅外熱像儀和表面熱電偶組合測發(fā)射率的匹配法,利用恒溫源對(duì)測試樣品進(jìn)行加熱,在近環(huán)境溫度范圍內(nèi)分別對(duì)3M Scotch Super 88和3M 1721型絕緣膠帶的發(fā)射率進(jìn)行了測量。白敬晨等[8]提出了一種用紅外熱像儀測量物體發(fā)射率的方法。關(guān)威等[9]用紅外輻射計(jì)測量了物體光譜輻射亮度,并對(duì)目標(biāo)光譜發(fā)射率進(jìn)行求解。但目前對(duì)發(fā)射率的研究側(cè)重于中低溫穩(wěn)定狀態(tài)下的測試[10]。因此,測量高溫下試件的發(fā)射率對(duì)研究試件的高溫性能很有意義。

        本實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用熱電偶和紅外熱像儀對(duì)Ma=5的風(fēng)洞中劈尖試件進(jìn)行了溫度測量,校正了高溫下試件的發(fā)射率,得到了駐點(diǎn)的溫度變化曲線和試件在不同時(shí)刻的熱圖。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

        本實(shí)驗(yàn)是在北京科技大學(xué)國家材料服役中心的燃燒加熱風(fēng)洞中進(jìn)行的。該風(fēng)洞由氧氣、空氣、航空煤油供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、噴管、實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)、引射系統(tǒng),測控系統(tǒng)和消音系統(tǒng)組成。該實(shí)驗(yàn)艙可實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)2~6,來流總溫270~2500K,來流成分可調(diào)等條件。風(fēng)洞內(nèi)徑為200mm,穩(wěn)定區(qū)域直徑120~150mm,產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲速流場的持續(xù)時(shí)間最長可以達(dá)到600~900s的高超聲速氣動(dòng)熱-力耦合環(huán)境。該設(shè)備可用于航天領(lǐng)域高超聲速特殊服役環(huán)境下的氣動(dòng)熱-力耦合作用對(duì)材料/構(gòu)件服役安全的影響等基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究。

        實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)艙艙體、模型支架及對(duì)接安裝件,其用于固定被考核試件并提供密閉環(huán)境建立高空低壓環(huán)境。實(shí)驗(yàn)艙采用方形結(jié)構(gòu),其內(nèi)空尺寸為1000mm×600mm×660mm。實(shí)驗(yàn)艙兩側(cè)開門,在其左右及上表面開有光學(xué)石英玻璃窗口。

        1.2 測試設(shè)備

        1.2.1 MCS640高溫紅外熱像儀

        實(shí)驗(yàn)使用的是MCS640高溫紅外熱像儀。主要的性能指標(biāo)有:熱像儀采集幀頻為 60Hz;探測器像素為640×480像素;工作波段為780~1080nm;測溫范圍為800~3000℃;測溫精度為±0.5%。

        工作原理:被測物體輻射的紅外能量經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚在探測器的靈敏面上,探測器將照在靈敏面上的輻射能轉(zhuǎn)換成可以測量的電信號(hào)。由圖像采集設(shè)備將探測器輸出的電信號(hào)進(jìn)行采集、存取。測溫?cái)?shù)據(jù)處理軟件對(duì)圖像采集設(shè)備采集到的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)用于分析。

        1.2.2 GH3030高溫合金熱電偶

        實(shí)驗(yàn)使用的是GH3030高溫合金熱電偶。主要特點(diǎn)是:性能比較穩(wěn)定,同時(shí)操作方便,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,更能夠遠(yuǎn)傳4~20mA電信號(hào),便于自動(dòng)控制和集中控制。主要的性能指標(biāo):測量范圍為0~1800℃;熱響應(yīng)時(shí)間為6s。

        工作原理:把兩種不同成份的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端焊接形成閉合回路。定義直接測溫端為工作端,接線端子端為參比端。當(dāng)工作端和參比端之間存在溫差時(shí),回路中就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢,測量電動(dòng)勢的大小,就能得到與之對(duì)應(yīng)的溫度。

        1.3 被測試件

        D6AC是一種制造固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的專用鋼種,應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上,也曾用來制造F-111飛機(jī)的起落架和機(jī)翼軸等。因此,本實(shí)驗(yàn)以D6AC劈尖試件作為研究對(duì)象,具有非常重要的科研價(jià)值。

        1.4 測試原理

        本實(shí)驗(yàn)采用紅外輻射測溫和熱電偶接觸測溫相結(jié)合的方法,對(duì)材戶5的風(fēng)洞中劈尖試件進(jìn)行溫度測量。

        實(shí)驗(yàn)時(shí),同時(shí)采用熱像儀和熱電偶對(duì)試件測溫。在對(duì)溫度數(shù)據(jù)處理時(shí),由于熱電偶和熱像儀都與各自的專用計(jì)算機(jī)相連,系統(tǒng)時(shí)間不統(tǒng)一。因此,首先在同一區(qū)域?qū)犭娕己图t外熱像儀測量的溫度進(jìn)行時(shí)間匹配;其次以熱電偶測出的溫度為試件的真實(shí)溫度,對(duì)靠近熱電偶的位置用紅外熱像儀測溫。一邊調(diào)整紅外熱像儀的發(fā)射率,直到溫度值與熱電偶測得的溫度一致,此時(shí)認(rèn)為該發(fā)射率就為當(dāng)前溫度下試件的發(fā)射率。在此發(fā)射率下用紅外熱像儀對(duì)駐點(diǎn)進(jìn)行測溫,就能得到駐點(diǎn)的溫度變化和試件在不同時(shí)刻的熱圖,就可以對(duì)試件在高溫氣流下的動(dòng)態(tài)研究提供參考。

        1.5 測量過程

        實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示。測量過程如下:

        1)把試件裝在支架上,放入實(shí)驗(yàn)艙。

        2)將紅外熱像儀在光學(xué)平臺(tái)上固定好,連接到專用計(jì)算機(jī),并相對(duì)于試件進(jìn)行定位,保證測量距離和測量角度符合使用規(guī)范,測得探頭到試件的水平距離為980mm,探頭高于樣品330mm。預(yù)設(shè)紅外熱像儀的發(fā)射率為1。

        3)將熱電偶固定在試件尾端,與試件緊密貼合,并通過網(wǎng)線連接到專用計(jì)算機(jī)上。

        4)進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),在叼片5的條件下對(duì)試件進(jìn)行吹風(fēng)測試,同時(shí)利用熱電偶和紅外熱像儀對(duì)試件進(jìn)行測溫。實(shí)驗(yàn)段環(huán)境參數(shù)為:平均壓力5.68kPa,空氣流量946.1g/s,煤油流量109.7g/s,氧氣流量523.2g/s,吹風(fēng)時(shí)間約為50s。

        5)保存紅外熱像儀和熱電偶采集的溫度數(shù)據(jù),以便后續(xù)處理分析。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 發(fā)射率的確定

        如圖2所示,a為熱電偶測得的試件溫度變化曲線,b為紅外熱像儀測得的熱電偶的溫度曲線,。為紅外熱像儀測得的靠近熱電偶區(qū)域的試件溫度變化曲線。紅外熱像儀測溫時(shí)預(yù)設(shè)發(fā)射率ελ=1。首先對(duì)a、b曲線進(jìn)行時(shí)間匹配,再以熱電偶測得的溫度作為試件c區(qū)域的真實(shí)溫度,通過在紅外熱像儀的控制軟件中設(shè)置發(fā)射率,直到c區(qū)域溫度與熱電偶所測溫度非常相近,此時(shí)的發(fā)射率即為該溫度下試件c區(qū)域的發(fā)射率。

        結(jié)合實(shí)驗(yàn)測得的溫度數(shù)據(jù),由圖2可以看出在17~20s這一時(shí)間段,熱電偶測得的試件溫度由1300℃迅速升高到1700℃。此溫度段升高地非常劇烈,可能是由于熱電偶測量端與環(huán)境的輻射熱交換所引起的熱輻射誤差和沿?zé)犭娕奸L度方向由溫度梯度引起的導(dǎo)熱誤差造成的,使得指示溫度偏離實(shí)際溫度。

        表1是同一時(shí)刻下,熱電偶和紅外熱像儀測得的溫度,以及校正后試件在不同溫度下的發(fā)射率。通過分析溫度數(shù)據(jù),紅外熱像儀與熱電偶測得溫度的差異主要是由試件發(fā)射率、紅外熱像儀測溫精度、熱電偶的測溫精度等原因引起的。

        從劈尖試件的ε-T關(guān)系圖(圖3)中,可以直觀地看出,試件表面溫度在1777~1851℃,發(fā)射率為0.048~0.064,波動(dòng)較小,比較平穩(wěn)。

        2.2 校正發(fā)射率后試件的熱圖

        圖4分別是風(fēng)吹15s、23 s、30s、45s時(shí)試件的熱圖。從圖中可以直觀看出試件的溫度分布情況。圖中顏色相近的區(qū)域,溫度大致相同,說明這些區(qū)域受熱流沖刷作用大致相等,受熱比較均勻,溫度比較接近。從熱圖中看出,熱電偶位置和駐點(diǎn)的溫度大致相等,驗(yàn)證了以熱電偶測得的溫度校正紅外熱像儀測溫的合理性。

        2.3 試件駐點(diǎn)的溫度

        結(jié)合現(xiàn)場錄像,觀察到在風(fēng)吹的初始階段,燒蝕剝離飛濺物多,造成熱流場的擾動(dòng),引起溫度場的變化。待剝離物飛渣明顯減少后,溫度場相對(duì)穩(wěn)定,燒蝕進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。圖5是實(shí)驗(yàn)中的試件。

        試件駐點(diǎn)和c區(qū)域的材料受熱前后表面狀態(tài)、形貌相同,同一溫度下,認(rèn)為駐點(diǎn)和c區(qū)域的發(fā)射率相等。在1777~1851℃時(shí),取試件的平均發(fā)射率為0.053,設(shè)置紅外熱像儀控制軟件的發(fā)射率,獲得駐點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示??梢灾庇^地看出在12s左右時(shí),紅外熱像儀開始顯示駐點(diǎn)的表面溫度。15s后溫度升高趨勢開始減漫。12~15s之間,駐點(diǎn)受熱流影響較小,溫度波動(dòng)小;15~20s溫度波動(dòng)較大,說明受氣流影響較大。在20.2s時(shí),最高溫度達(dá)到2019.3℃。此時(shí),可能由于駐點(diǎn)在高溫下被燒蝕掉,也可能是由于試件的結(jié)構(gòu)缺陷造成一部分材料在高速氣流下因燒蝕差異或熱應(yīng)力破壞而發(fā)生剝蝕,具體原因還需進(jìn)一步研究才能做出判斷,因此,0.5s后溫度急劇降低至1124_4℃,之后測得背景溫度,高速熱流開始燒蝕試件剩余部分。

        3 結(jié)束語

        本實(shí)驗(yàn)采用紅外熱像儀和熱電偶組合的匹配法對(duì)試件的發(fā)射率進(jìn)行了校正,對(duì)高超聲速風(fēng)洞材戶5中的試件進(jìn)行了測溫。分析了試件駐點(diǎn)的溫度變化趨勢和試件表面溫度分布,得出以下結(jié)論:

        1)采用紅外熱像儀能非常直觀地顯示試件熱效應(yīng)區(qū)域的大小與形狀,及其特征位置的溫度變化過程。

        2)通過熱電偶和紅外熱像儀組合的匹配方法,校正了紅外熱像儀測得的試件駐點(diǎn)溫度,最終實(shí)現(xiàn)了以點(diǎn)溫校正試件的表面溫度,得到了不同時(shí)刻的熱圖,證明了這種方法的可行性。

        3)進(jìn)一步工作將研究物體發(fā)射率對(duì)測溫精度的影響,以提高紅外熱像儀測溫的精確性。

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        (編輯:徐柳)

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