本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)，具體涉及一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要組成部分，航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)中的熱管理技術(shù)關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性以及壽命。因此針對(duì)空氣系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)盤腔中轉(zhuǎn)盤的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的測(cè)量技術(shù)尤為關(guān)鍵。

2、常規(guī)的瞬態(tài)測(cè)量方法的使用條件較為理想，需要保證在測(cè)量過(guò)程中熱不能穿透固體，或者在一次實(shí)驗(yàn)中只能測(cè)得轉(zhuǎn)盤一側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)盤兩側(cè)的熱邊界條件以及換熱強(qiáng)度不對(duì)稱時(shí)，要想獲得另一側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需要在相同工況下再進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。針對(duì)軸向通流旋轉(zhuǎn)盤腔或者多級(jí)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)盤腔實(shí)驗(yàn)中的換熱系數(shù)測(cè)量，采用常規(guī)的測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)較為繁瑣，需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)獲得。

3、因此，本發(fā)明提出了一種針對(duì)復(fù)雜熱邊界條件下旋轉(zhuǎn)盤腔的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、要解決的技術(shù)問(wèn)題：

2、為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，建立非對(duì)稱熱邊界條件下轉(zhuǎn)盤一維瞬態(tài)導(dǎo)熱模型，即基于瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程、盤腔內(nèi)流場(chǎng)特征和熱邊界條件進(jìn)行合理建模，以實(shí)驗(yàn)中測(cè)得轉(zhuǎn)盤瞬時(shí)壁溫?cái)?shù)據(jù)以及瞬時(shí)換熱溫度數(shù)據(jù)作為邊界條件導(dǎo)入模型中，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)盤兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。本發(fā)明方法可以在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)獲得轉(zhuǎn)盤兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，降低了實(shí)驗(yàn)難度與實(shí)驗(yàn)成本；突破了現(xiàn)有常規(guī)瞬態(tài)計(jì)算方法的局限性，極大的簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟。

3、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，具體步驟如下：

4、獲取轉(zhuǎn)盤兩側(cè)對(duì)應(yīng)半徑位置的壁面瞬時(shí)溫度數(shù)據(jù)，及轉(zhuǎn)盤兩側(cè)的換熱溫度數(shù)據(jù)；

5、將所述壁面瞬時(shí)溫度數(shù)據(jù)和換熱溫度數(shù)據(jù)分別以時(shí)間為自變量進(jìn)行擬合，分別得到實(shí)驗(yàn)壁溫函數(shù)和實(shí)驗(yàn)換熱溫度函數(shù)；

6、建立非對(duì)稱熱邊界條件下轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)導(dǎo)熱模型；

7、在轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)導(dǎo)熱模型中載入轉(zhuǎn)盤一側(cè)的實(shí)驗(yàn)換熱溫度函數(shù)與轉(zhuǎn)盤另一側(cè)的實(shí)驗(yàn)壁溫函數(shù)，通過(guò)最優(yōu)化理論迭代計(jì)算得到轉(zhuǎn)盤一側(cè)的的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

8、在轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)導(dǎo)熱模型中載入轉(zhuǎn)盤一側(cè)的實(shí)驗(yàn)壁溫函數(shù)與轉(zhuǎn)盤另一側(cè)的實(shí)驗(yàn)換熱溫度函數(shù)，通過(guò)最優(yōu)化理論迭代計(jì)算得到轉(zhuǎn)盤另一側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

9、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述壁面瞬時(shí)溫度數(shù)據(jù)的獲取方式為，在旋轉(zhuǎn)盤腔換熱實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)熱電偶測(cè)溫元件測(cè)得。

10、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述換熱溫度數(shù)據(jù)通過(guò)熱電偶測(cè)溫元件以及氣流壓力測(cè)量元件獲取。

11、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述換熱溫度數(shù)據(jù)的計(jì)算公式如下：

12、

13、其中，tf,x(τ)為實(shí)驗(yàn)中溫度測(cè)點(diǎn)位置的氣流靜溫，由熱電偶測(cè)量得到；r為恢復(fù)系數(shù)；w為轉(zhuǎn)盤角速度，r為當(dāng)?shù)匕霃轿恢?，cp為氣流比熱容，為氣流周向速度，通過(guò)氣流壓力測(cè)量元件獲取。

14、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述壁面瞬時(shí)溫度數(shù)據(jù)擬合得到轉(zhuǎn)盤的左右兩側(cè)壁溫函數(shù)為tw,x＝0(τ),tw,x＝δ(τ)。

15、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述換熱溫度數(shù)據(jù)擬合得到轉(zhuǎn)盤的左右兩側(cè)換熱溫度函數(shù)為taw,x＝0(τ),taw,x＝δ(τ)。

16、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)導(dǎo)熱模型的表達(dá)式如下：

17、導(dǎo)熱微分方程：

18、

19、初始條件：

20、t(x,t＝0)＝f(x)

21、邊界條件1：

22、

23、t(x＝δ)＝tw,x＝0(τ)

24、邊界條件2：

25、

26、t(x＝δ)＝tw,x＝δ(τ)。

27、式中，t表示轉(zhuǎn)盤瞬時(shí)溫度，x表示固體域內(nèi)部坐標(biāo)，τ表示時(shí)間，a表示熱擴(kuò)散率，f(x)表示轉(zhuǎn)盤初始溫度場(chǎng)函數(shù)，t表示時(shí)間，h1、h2表示轉(zhuǎn)盤兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，λ表示導(dǎo)熱系數(shù)；δ表示轉(zhuǎn)盤厚度，tw,x＝0(τ),tw,x＝δ(τ)分別表示實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)盤左右兩側(cè)壁溫?cái)?shù)據(jù)擬合后的函數(shù)，taw,x＝0(τ),taw,x＝δ(τ)分別代表實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)盤左右兩側(cè)換熱溫度數(shù)據(jù)擬合后的函數(shù)。

28、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)導(dǎo)熱模型求解轉(zhuǎn)盤左側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)，采用邊界條件1；求解轉(zhuǎn)盤右側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)，采用邊界條件2。

29、本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述通過(guò)最優(yōu)化理論計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的方法為，利用非對(duì)稱熱邊界條件下的導(dǎo)熱微分方程以及對(duì)應(yīng)的邊界條件，設(shè)定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)區(qū)間，以局部最優(yōu)化方法找到區(qū)間內(nèi)計(jì)算出的壁溫結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的壁溫結(jié)果偏差最小時(shí)對(duì)應(yīng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

30、有益效果

31、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出了一種針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)盤腔非對(duì)稱換熱邊界條件下的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的壁溫?cái)?shù)據(jù)和換熱溫度數(shù)據(jù)，以局部最優(yōu)化方法同時(shí)獲得轉(zhuǎn)盤兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。該測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)在于相比常規(guī)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)瞬態(tài)測(cè)量方法，可一次性獲得轉(zhuǎn)盤兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，降低了實(shí)驗(yàn)難度。

技術(shù)特征：

1.一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，其特征在于具體步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，其特征在于：所述壁面瞬時(shí)溫度數(shù)據(jù)的獲取方式為，在旋轉(zhuǎn)盤腔換熱實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)熱電偶測(cè)溫元件測(cè)得。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，其特征在于：所述換熱溫度數(shù)據(jù)通過(guò)熱電偶測(cè)溫元件以及氣流壓力測(cè)量元件獲取。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，其特征在于：所述換熱溫度數(shù)據(jù)的計(jì)算公式如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，其特征在于：所述壁面瞬時(shí)溫度數(shù)據(jù)擬合得到轉(zhuǎn)盤的左右兩側(cè)壁溫函數(shù)為tw,x＝0(τ),tw,x＝δ(τ)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，其特征在于：所述換熱溫度數(shù)據(jù)擬合得到轉(zhuǎn)盤的左右兩側(cè)換熱溫度函數(shù)為taw,x＝0(τ),taw,x＝δ(τ)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，其特征在于：所述轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)導(dǎo)熱模型的表達(dá)式如下：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，其特征在于：所述轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)導(dǎo)熱模型求解轉(zhuǎn)盤左側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)，采用邊界條件1；求解轉(zhuǎn)盤右側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)，采用邊界條件2。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，其特征在于：所述通過(guò)最優(yōu)化理論計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的方法為，利用非對(duì)稱熱邊界條件下的導(dǎo)熱微分方程以及對(duì)應(yīng)的邊界條件，設(shè)定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)區(qū)間，以局部最優(yōu)化方法找到區(qū)間內(nèi)計(jì)算出的壁溫結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的壁溫結(jié)果偏差最小時(shí)對(duì)應(yīng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明一種非對(duì)稱換熱的轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)測(cè)量方法，屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域；方法步驟為：獲取轉(zhuǎn)盤兩側(cè)對(duì)應(yīng)半徑位置的壁面瞬時(shí)溫度數(shù)據(jù)，及轉(zhuǎn)盤兩側(cè)的換熱溫度數(shù)據(jù)；將所獲得數(shù)據(jù)分別以時(shí)間為自變量進(jìn)行擬合，得到實(shí)驗(yàn)壁溫函數(shù)和實(shí)驗(yàn)換熱溫度函數(shù)；建立非對(duì)稱熱邊界條件下轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)導(dǎo)熱模型；在轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)導(dǎo)熱模型中載入轉(zhuǎn)盤一側(cè)的實(shí)驗(yàn)換熱溫度函數(shù)與轉(zhuǎn)盤另一側(cè)的實(shí)驗(yàn)壁溫函數(shù)，通過(guò)最優(yōu)化理論迭代計(jì)算得到轉(zhuǎn)盤一側(cè)的的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；同理得到轉(zhuǎn)盤另一側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。本發(fā)明方法可以在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)獲得轉(zhuǎn)盤兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，降低了實(shí)驗(yàn)難度與實(shí)驗(yàn)成本。

技術(shù)研發(fā)人員：劉高文,明新迪,王彬年,林阿強(qiáng),孔曉治
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6