一种多孔结构渗透系数测量装置与方法

技术领域

本发明属于气动热防护技术领域，具体涉及一种多孔结构渗透系数测量装置与方法。

背景技术

气相发汗冷却技术是一种高效的主动控制式气动热防护技术。高性能、低代偿的气相发汗冷却技术的工程设计与应用，需要以多孔结构渗透系数作为输入条件。多孔结构的渗透系数需要实验测量得到。

当测量不可压缩、近似不可压缩流体流过多孔结构的渗透系数时，由于流动的质量守恒定律决定了流体在多孔结构中的一维宏观速率是恒定的，因而只需要实测宏观流速或流量值，即可基于Darcy公式或其修正版代数公式开展进一步的后处理，反算得到多孔结构的渗透系数。

而当测量可压缩气体流过多孔结构的渗透系数时，由于气体的压力和密度的关系受到气体状态方程的约束，故在气流流过多孔结构时，流动阻力降低了气流压力，进而降低了气流密度，因此多孔结构中的气流宏观流速是不断变化的。受到当前测量技术手段的限制，目前很难直接实测出多孔结构内部的宏观气流流速，因而工程上只能通过实测气流在流入多孔结构之前的流速或流量数据开展实验数据分析。这种利用多孔结构外侧流速来近似多孔结构内部流速的简化假设，降低了多孔结构渗透系数的实测精度。例如，此方法获得结果的一个突出问题为，针对不同厚度的样件测得的渗透系数是不同的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种多孔结构渗透系数测量装置与方法，解决了传统渗透系数测量方法无法精确测量可压缩气体流过多孔结构的渗透系数的技术问题，本发明能够准确测量多孔结构常温、高温渗透系数，有效支撑发汗冷却技术的高效、低代偿工程设计与应用。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种多孔结构渗透系数测量装置，包括气源、调压装置、气流加热器、气流流量测量装置、多孔结构样件夹持结构、气流温度测量装置、气流压力测量装置、辐射测温装置和数据采集与计算模块；

多孔结构样件夹持结构内部夹持多孔结构样件；多孔结构样件夹持结构内部设有用于消除气体压力梯度的压力缓冲腔；

气源提供的气体依次流经气流加热器、压力缓冲腔和多孔结构样件；气流加热器用于控制气流温度；调压装置设于气源与气流加热器之间的管路上，用于调节气体压力；

气流流量测量装置用于测量气体在进入多孔结构样件之前的流量；气流压力测量装置用于测量压力缓冲腔中气体的压力；气流温度测量装置包括分别用于获取气流入口温度和气流出口温度的第一气流温度测量装置和第二气流温度测量装置；辐射测温装置用于测量多孔结构样件的表面温度；

气流加热器关闭时，数据采集与计算模块根据气流与多孔结构样件达到传热平衡态后气流流量测量装置和气流压力测量装置的测量值得到多孔结构样件常温下的渗透系数；

气流加热器开启时，数据采集与计算模块根据气流与多孔结构样件达到传热平衡态后气流流量测量装置、气流压力测量装置、第一气流温度测量装置、第二气流温度测量装置和辐射测温装置的测量值得到多孔结构样件高温下的渗透系数。

进一步的，渗透系数包括Darcy渗透系数K

进一步的，多孔结构样件夹持结构包括结构相同的第一壳体和第二壳体，第一壳体和第二壳体的内表面设有用于与多孔结构样件配合的凹槽；

第一壳体和第二壳体组合后形成具有中空内腔的筒形结构，多孔结构样件在凹槽处卡紧，多孔结构样件的一侧为压力缓冲腔。

进一步的，第一气流温度测量装置设于压力缓冲腔中，第二气流温度测量装置设于多孔结构样件夹持结构内部位于多孔结构样件后方的腔体中；

通过比对第一气流温度测量装置、第二气流温度测量装置和辐射测温装置的测量值判断多孔结构样件是否达到传热平衡态。

一种多孔结构渗透系数测量方法，采用上述一种多孔结构渗透系数测量装置实现，包括：

将多孔结构样件夹持于多孔结构样件夹持结构内部；

气源提供的气体依次流经气流加热器、压力缓冲腔和多孔结构样件；

气流加热器关闭状态下，利用调压装置调节气体压力，数据采集与计算模块根据不同气体压力下气流流量测量装置和气流压力测量装置的测量值得到多孔结构样件常温下的渗透系数；

气流加热器开启状态下，利用调压装置调节气体压力，数据采集与计算模块根据不同气体压力下气流流量测量装置、气流压力测量装置、第一气流温度测量装置、第二气流温度测量装置和辐射测温装置的测量值得到多孔结构样件高温下的渗透系数。

进一步的，气流加热器关闭状态下，利用调压装置调节气体压力，数据采集与计算模块根据不同气体压力下气流流量测量装置和气流压力测量装置的测量值得到多孔结构样件常温下的渗透系数的具体方法包括：

气流加热器关闭状态下，利用调压装置调节气体压力，数据采集与计算模块在每一次调节气体压力后记录气流流量测量装置读数稳定时的数值

利用P

进一步的，利用P

S1.1以P

S1.2根据

S1.3判断

S1.4根据{K

当j＝0时，{K

进一步的，气流加热器开启状态下，利用调压装置调节气体压力，数据采集与计算模块根据不同气体压力下气流流量测量装置、气流压力测量装置、第一气流温度测量装置、第二气流温度测量装置和辐射测温装置的测量值得到多孔结构样件高温下的渗透系数的方法包括：

气流加热器开启状态下，利用调压装置调节气体压力，数据采集与计算模块在每一次调节气体压力后记录气流流量测量装置读数稳定时的数值

利用P

进一步的，利用P

S2.1以P

S2.2根据

S2.3判断

S2.4根据{K

当j＝o时，{K

进一步的，气流加热器关闭状态下，数据采集与计算模块以不同气体压力下气流压力测量装置的测量值为计算边界条件，采用体积平均的Navier-Stokes方程与理想气体状态方程进行多孔结构内气体流动的数值仿真，得到多孔结构样件中的流动宏观速率；基于所述流动宏观速率和气流流量测量装置的测量值，采用非线性最小二乘数值优化算法进行常温下的渗透系数的辨识；

气流加热器开启状态下，数据采集与计算模块根据不同气体压力下气流压力测量装置和第一气流温度测量装置的测量值为计算边界条件，采用体积平均的Navier-Stokes方程与理想气体状态方程进行多孔结构内气体流动的数值仿真，得到多孔结构样件中的流动宏观速率、气流出口温度计算值和样件表面温度计算值；基于所述流动宏观速率、气流出口温度计算值和样件表面温度计算值，以及气流流量测量装置、第二气流温度测量装置和辐射测温装置的测量值，采用非线性最小二乘数值优化算法进行高温下的渗透系数的辨识。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明创造性的提出一种多孔结构渗透系数的实验测量装置，能够使气体以近似均匀的一维流动形态流过多孔结构样件，并能精确获得计算渗透系数所需的各测试数据；

(2)本发明创造性的提出一种多孔结构渗透系数的实验测量方法，结合多孔结构内可压缩气流流动过程的数值仿真，基于实验实测数据，可计算得到多孔结构内的宏观速率分布，最终辨识得到准确的多孔结构常温、高温渗透系数，有效支撑发汗冷却技术的高效、低代偿工程设计与应用；

(3)本发明避免了“利用多孔结构外侧气流流速来近似多孔结构内部宏观流速”的简化假设，从而能得到更准确的多孔结构渗透系数，有效支撑发汗冷却技术的高效、低代偿工程设计与应用。

附图说明

图1为本发明多孔结构渗透系数的实验测量装置示意图；

图中，1-气源，2-调压装置，3-气流加热器，4-气流流量测量装置，5-多孔结构样件夹持结构，6-压力缓冲腔，7-多孔结构样件，8-第一气流温度测量装置，10-第二气流温度测量装置，9-气流压力测量装置，11-辐射测温装置，12-数据采集与计算模块。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

气相发汗冷却技术是一种高效的主动控制式气动热防护技术，其工程应用依赖于多孔结构渗透系数的测量。一维可压缩气流流过多孔结构时，在流向上会发生宏观流速的不断变化。目前典型的多孔结构渗透系数测量方案中，或者假设流体为不可压缩流体，或者采用气流流入多孔结构前的速率来近似多孔结构中的宏观流速，因此无法满足准确的常温、高温渗透系数测量。

本发明提出了一种针对多孔结构内可压缩气流流动的多孔结构常温、高温条件下的渗透系数测量装置与方法。其核心特征为，基于实验实测数据，结合多孔结构内流动的CFD数值仿真，采用多目标优化的数值优化方法，获得多孔结构中流向的宏观速率分布，最终辨识得到多孔结构渗透系数。

本发明一方面提供一种多孔结构渗透系数的实验测量装置，用于测试多孔结构样件7的渗透系数，包括气源1、调压装置2、气流加热器3、气流流量测量装置4、多孔结构样件夹持结构5、设于多孔结构样件夹持结构5内部的压力缓冲腔6、气流温度测量装置(8、10)、气流压力测量装置9、辐射测温装置11、数据采集与计算模块12。

本发明另一方面提供一种多孔结构渗透系数的实验测量方法，当气流加热器3处于关闭状态时，系统可测量常温条件下的多孔结构渗透系数；当气流加热器3处于开启状态时，系统可测量高温条件下的多孔结构渗透系数，此时通过对比气流温度与多孔结构样件温度的实测数据来判断多孔结构达到传热平衡态。

实验过程中，当气流与多孔结构达到传热平衡态后，直接测量得到气流在流过多孔结构样件之前的压力(气流入口温度)、流量与温度与流过多孔结构样件之后的温度(气流出口温度)，直接测量得到多孔结构样件的表面温度。

在一种具体的实施方式中，基于实测数据计算渗透系数的过程借助多目标优化问题的计算方法来实现，采用多目标优化的数值优化算法处理实验数据、获得渗透系数，即基于实验实测数据，结合多孔结构中流动过程的数值仿真计算方法、数值优化算法，辨识得到多孔结构的渗透系数。

在一种具体的实施方式中，基于实测实验数据，以实验实测的气流压力、流量、温度为计算边界条件，采用体积平均的Navier-Stokes方程与理想气体状态方程开展多孔结构内气体流动的数值仿真，计算得到多孔结构中流动宏观速率，采用非线性最小二乘数值优化算法开展多孔结构Darcy渗透系数K

本发明采用多目标数值优化计算方法，结合多孔结构内可压缩气流流动过程的数值仿真，基于实验实测数据，可计算得到多孔结构内部沿流向非均匀的宏观速率分布，最终辨识得到准确的多孔结构常温、高温渗透系数。本发明避免了“利用多孔结构外侧气流流速来近似多孔结构内部宏观流速”的简化假设，从而能得到更准确的多孔结构渗透系数，有效支撑发汗冷却技术的高效、低代偿工程设计与应用。

实施例：

如图1所示，本发明提出了一种多孔结构渗透系数的实验测量装置，用于测试多孔结构样件7的渗透系数，包括气源1、调压装置2、气流加热器3、气流流量测量装置4、多孔结构样件夹持结构5、设于多孔结构样件夹持结构5内部的压力缓冲腔6、气流温度测量装置(包括第一气流温度测量装置8、第二气流温度测量装置10)、气流压力测量装置9、辐射测温装置11、数据采集与计算模块12。实验过程中，气流从气源1沿管路持续流出，经过压力缓冲腔6后消除了局部的压力梯度以近似均匀的一维流动形态流过多孔结构样件7。压力缓冲腔一般只要体积足够大、流动方向截面积足够大即可，能够让气流流速降下来，进而气流在流过样件时能够近似一维流动、而不是中间流速快、四周流速低。通过调压装置2和气流加热器3来控制实验过程中压力缓冲腔内的压力和温度，通过气流流量测量装置4、气流温度测量装置、气流压力测量装置9、辐射测温装置11来测量气流的流量、温度、压力以及多孔结构样件的表面温度，测量过程采集的信号数据通过数据采集与计算模块12存储并进行数据处理运算。

当气流加热器处于关闭状态时，气流流过加热器不会被加热，此时系统可用于测量常温条件下的多孔结构渗透系数。当气流加热器处于开启状态时，气流流过加热器会被加热到指定的温度，此时系统可测量高温条件下的多孔结构渗透系数。本发明中，将高于室温的温度条件称为高温条件。

在一个实施例中，系统测量多孔结构样件的常温渗透系数。气流加热器3处于关闭状态。调节调压装置2从完全闭合状态到某个微小开启状态，待气流流量测量装置4、气流压力测量装置9的读数稳定时，数据采集与计算模块12记录并存储此时的气流流量

基于数据采集与计算模块12针对实验实测数据进行数据处理与运算分析。运算分析的目的为获得多孔结构样件的Darcy渗透系数K

S1，针对多孔结构样件的渗透系数，给定一个初始值{K

S2，基于多孔结构样件渗透系数初始值{K

式中，ρ、

计算过程中，将每个实验实测的压力数据值P

S3，基于Quasi-Newton方法的NL2SOL算法，以{K

S4，基于渗透系数最新估计值，重复S2步中的计算过程，获得对应不同实测压力数据P

S5，重复S3-S4步骤，直至流量估计残差

在第二个实施例中，系统测量多孔结构样件的高温渗透系数。气流加热器3处于开启状态，调节气流加热器3，确保实验过程中在调压装置2的不同开度状态下气流温度测量装置8的实测值保持一致，记为T

基于数据采集与计算模块12针对实验实测数据进行数据处理与运算分析。运算分析的目的为获得多孔结构样件的Darcy渗透系数K

S1，针对多孔结构样件的渗透系数，给定一个初始值{K

S2，基于多孔结构样件渗透系数初始值{K

式中，ρ、

计算过程中，将每个实验实测的压力数据值P

S3，基于Quasi-Newton方法的NL2SOL算法，以{K

S4，基于渗透系数最新估计值，重复S2步中的计算过程，获得对应不同实测压力数据P

S5，重复S3-S4步骤，直至估计残差

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。