王玉芳，董素艷，常蕾

(1.航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095；2.西業(yè)工業(yè)大學(xué)，陜西 西安，710072)

0 引言

表面溫度關(guān)系到武器裝備或試驗系統(tǒng)的運行狀態(tài),與裝備的安全和壽命息息相關(guān),應(yīng)用于武器裝備的設(shè)計、生產(chǎn)、使用和維護中。近年來,薄膜熱電偶已成為表面溫度測量的常用選擇之一[1]。薄膜熱電偶是通過鍍膜技術(shù)制備而成的沉積在特定表面上的微米級薄膜,具有熱結(jié)點薄、質(zhì)量小、熱容量小、對快速變化的溫度響應(yīng)迅速、對原有工況環(huán)境溫度場干擾小等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于表面瞬態(tài)測溫領(lǐng)域,包括航空發(fā)動機內(nèi)表面溫度測試、汽輪機一級葉片表面溫度測試、火箭燃?xì)鈬娮毂诿鏈囟葴y試等[2-7]。

目前薄膜熱電偶多用于各種異形表面溫度的測試,比如彎曲表面、微小區(qū)域等,但由于粘貼膠層厚度、環(huán)境溫度等變化,對薄膜熱電偶的測試準(zhǔn)確性提出了挑戰(zhàn),需要對這些影響因素導(dǎo)致的溫度偏差進行修正。針對薄膜熱電偶的現(xiàn)場校準(zhǔn)問題,本文以選定的熱電偶模型為研究對象,開展不同表面溫度下由膠層厚度引入的測量誤差的CFD數(shù)值仿真和試驗研究[8-11],得到表面溫度、膠層厚度與熱阻修正之間的對應(yīng)關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上建立熱阻修正模型,為現(xiàn)場測量中薄膜熱電偶的熱阻修正提供技術(shù)依據(jù)。

1 薄膜熱電偶幾何模型及網(wǎng)格創(chuàng)建

在采用薄膜熱電偶進行表面溫度測量時,薄膜熱電偶通過膠接工藝粘貼在被測物體表面,為減少對熱傳導(dǎo)的影響,理論上用于粘貼薄膜熱電偶的膠層厚度越薄越好。受現(xiàn)場膠接工藝的影響,目前最薄膠層厚度為1 mm。熱阻修正模型如圖1所示。

圖1 熱阻修正模型

薄膜熱電偶各膜層采用磁控濺射或電子束蒸鍍方法濺射。鍍制完成的熱電偶結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,實物圖如圖2(b)所示。

圖2 薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)圖及實物圖

選擇膜系材料時應(yīng)滿足:①基底層應(yīng)厚度較薄、膜層致密并且可彎曲;②敏感層應(yīng)具有良好的熱電特性及導(dǎo)熱性,在測溫范圍內(nèi)具有良好的線性度;③保護層應(yīng)具有一定電絕緣性,以避免熱電偶在使用過程中受外界信號干擾,且保護層需結(jié)構(gòu)致密。根據(jù)上述要求,設(shè)計的薄膜熱電偶膜層結(jié)構(gòu)及膠層厚度如圖3所示。

圖3 膜層結(jié)構(gòu)及厚度

CFD數(shù)值仿真實驗設(shè)計為:在環(huán)境溫度為27℃(約300 K)的條件下,對表面溫度分別為-30,0,50,100,150,200,250℃,膠層厚度為1,1.5,2,2.5,3 mm的薄膜熱電偶進行數(shù)值仿真,共計幾何模型五個,計算狀態(tài)35個。

由于計算模型相對規(guī)則,故采用六面體網(wǎng)格劃分,該方法劃分的網(wǎng)格數(shù)量相較四面體或多面體劃分的網(wǎng)格數(shù)量少3～5倍,能夠在保證計算精度相同的情況下使數(shù)值計算收斂更快,節(jié)省計算資源。對壁面及熱電偶附近進行網(wǎng)格加密,最小網(wǎng)格尺寸為最大網(wǎng)格尺寸的1/50。對整個計算區(qū)域以熱電偶為中心進行網(wǎng)格加密,加密增長率為1.02,整個計算域的網(wǎng)格量約為117萬。計算域網(wǎng)格整體及局部圖如圖4所示。

圖4 計算域網(wǎng)格整體圖及局部圖

2 計算方法

湍流模型采用SST k-omega Model,壁面處理方式選用增強壁面類型,CFD數(shù)值仿真中介質(zhì)為空氣,在層流條件下流動,因此,需考慮氣體可壓縮性影響,同時,熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、粘性系數(shù)均隨溫度的變化而變化,因此,空氣的物性為:密度取理想氣體密度值,比熱采用分段多項式擬合,導(dǎo)熱系數(shù)按動力學(xué)理論得到,粘度由sutherland公式計算得到。

導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 導(dǎo)熱系數(shù)

邊界條件設(shè)置為:底板(同測量面接觸的位置)設(shè)置為溫度邊界條件;薄膜熱電偶的最外表面(同大氣接觸的位置)設(shè)置為對流換熱邊界條件(給出換熱系數(shù)和環(huán)境溫度);壁面邊界條件設(shè)置為無滑移的絕熱壁面。

設(shè)置操作壓力為靜壓值,設(shè)置進口總壓為動壓值,以減少在低馬赫數(shù)條件下理想氣體可壓縮流動截斷誤差過大的影響。

計算過程中的理論依據(jù)是傅里葉導(dǎo)熱定律,采用有限體積法求解三維非定常導(dǎo)熱方程式,離散格式采用二階差分格式;計算過程中,當(dāng)連續(xù)方程、動量方程、湍流方程的殘差小于10-6,能量方程殘差小于10-10,且監(jiān)測測量截面平均總壓不再變化時,則認(rèn)為計算收斂。

3 計算結(jié)果與分析

假設(shè)一個表面的實際溫度為300 K,當(dāng)貼上薄膜熱電偶后,由于膠層、接觸熱阻、絕緣層的作用,最終薄膜熱電偶的感溫端的實際溫度為T,則測溫偏差為(T-300)K,因此實際測量過程中,待測表面的實際溫度為薄膜熱電偶的測量溫度與存在的測溫偏差之和。薄膜熱電偶的測溫偏差不是常數(shù),會隨著測試工況及環(huán)境條件變化而變化。

計算幾何模型:基底層、敏感層、保護層尺寸不變,膠層厚度分別為1,1.5,2,2.5,3 mm,如圖5所示。

圖5 計算幾何模型

計算工況:靜壓101325 Pa;環(huán)境溫度300 K,環(huán)境流速6 m/s。

邊界條件:底板溫度分別為-30,0,50,100,150,200,250℃。操作壓力為101325 Pa。

圖6 為環(huán)境溫度為300 K,底板溫度為-30℃時的溫度云圖?？梢钥闯?在環(huán)境溫度高于底板溫度時,由于導(dǎo)熱系數(shù)的存在,溫度沿底板、聚酰胺基底層、熱電偶敏感層、保護層逐層上升,測試溫度高于底板溫度,測試溫差為正值。

圖6 底板溫度為-30℃時的溫度云圖

圖7 為環(huán)境溫度為300 K,底板溫度為250℃時的溫度云圖?？梢钥闯?在環(huán)境溫度低于底板溫度時,由于導(dǎo)熱系數(shù)的存在,溫度沿底板、聚酰胺基底層、熱電偶敏感層、保護層逐層下降,測試溫度低于底板溫度,測試溫差為負(fù)值。

圖7 環(huán)境溫度為300 K,底板溫度為250℃時的溫度云圖

圖8 環(huán)境溫度為300 K,底板溫度為250℃時不同膠層厚度下熱電偶敏感層溫度云圖?？梢钥闯?當(dāng)計算穩(wěn)定時,敏感層溫度分布基本均勻,隨著膠層厚度的增加,測溫偏差也隨之增加。

定義測溫偏差為:ΔT=T表面-T底板,得到相同環(huán)境溫度下(300 K),不同膠層厚度對應(yīng)底板溫度的測溫偏差,如表2所示。

圖8 不同膠層厚度下熱電偶敏感層溫度云圖

表2 不同膠層厚度對應(yīng)底板溫度的測溫偏差

以熱電偶的柔性基底層、敏感層、保護層、固體膠層形成的熱阻效應(yīng)為研究對象,建立熱阻修正的CFD數(shù)值仿真模型,將表2中的數(shù)據(jù)繪制為圖9。

圖9 不同底板溫度下測溫偏差隨膠層厚度變化規(guī)律圖

由圖9可以看出,標(biāo)準(zhǔn)柔性薄膜熱電偶的熱阻修正值不是常數(shù),它會隨著測試工況以及環(huán)境條件變化而變化。在相同膠層厚度下,表面溫度與環(huán)境溫度差值越大,薄膜熱電偶熱阻修正值的絕對值越大,整體變化規(guī)律呈線性,且熱阻修正值約為溫度差值的1%～1.5%;在相同表面溫度下,膠層厚度越薄,熱阻修正值的絕對值越小,整體變化規(guī)律呈線性,且熱阻修正值絕對值的最大值出現(xiàn)在膠層厚度3 mm,環(huán)境溫度250℃處。

4 熱阻修正試驗研究

開展柔性薄膜熱電偶熱阻修正試驗研究,對薄膜熱電偶粘貼到被測表面后的熱阻性能進行修正。將薄膜熱電偶測溫敏感點及引線節(jié)點粘貼到表面溫度校準(zhǔn)器的表面中心位置,如圖10所示。

圖10 熱阻修正試驗

環(huán)境溫度保持為24.6℃,分別在被測表面溫度為-30,0,50,100,150,200,250℃的條件下測試標(biāo)準(zhǔn)柔性薄膜熱電偶與表面溫度校準(zhǔn)器的溫度值,建立測試溫度與熱阻修正值之間的對應(yīng)關(guān)系。定義熱阻修正值為ΔT=T偶-T底板,試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同表面溫度下熱阻修正試驗結(jié)果 ℃

試驗結(jié)果表明:熱阻修正受被測表面溫度的影響較大,隨著表面溫度與環(huán)境溫度差值增大,熱阻修正值不斷增大,這與CFD數(shù)值仿真得到的結(jié)論一致,但由于CFD數(shù)值仿真計算過于理想化,而實際試驗中的影響因素較多(例如膠層厚薄不均、粘貼不牢等均會引入誤差),試驗中得到的修正值偏大,為改善這一狀況,未來擬改善試驗手段,提高膠接工藝,以得到更為理想的熱阻修正模型。

5 結(jié)論

對標(biāo)準(zhǔn)薄膜熱電偶的熱阻修正進行CFD數(shù)值仿真研究,以熱電偶的保護層、敏感層、柔性基底層、固體膠層形成的熱阻效應(yīng)為研究對象,建立熱阻修正的CFD數(shù)值仿真模型,結(jié)果表明:在相同膠層厚度下,測溫偏差大小隨著表面溫度與環(huán)境溫度差值增大而增大,與試驗結(jié)果一致;在相同表面溫度下,膠層厚度越薄,測溫偏差越小,與實際情況相符。本文的研究將對薄膜熱電偶表面測溫領(lǐng)域的發(fā)展起到推動作用,具有技術(shù)借鑒意義。未來將進一步研究表面粗糙度對薄膜熱電偶測溫性能的影響,以完善熱阻修正模型。