[发明专利]含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法

说明书

本发明涉及一种含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其包括以下步骤：1)获取结构体的三维表面温度场分布，作为导热微分方程的求解边界条件；2)获取结构体的内部局部温度，作为导热微分方程的求解限定条件；3)根据流体与冷却通道壁面的热传递的热流值建立冷却通道壁面上的热平衡方程，作为导热微分方程的求解边界条件；4)利用结构体的受热表面温度，内部边界上的热平衡方程，以及内部局部温度，并结合导热微分方程，获得完整的控制方程组；5)求解上述控制方程组，最后同时确定结构体的温度场和热流密度。

技术领域

本发明涉及一种温度场和热流的重构方法，具体涉及一种利用非接触温度测量对含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法。

背景技术

随着航天航空技术的发展，飞行器的速度不断提升。随着飞行速度的提高，剧烈的气动加热作用使得飞行器承受极高的热流密度，研制高效的热防护系统是高超声速飞行器发展急需解决的问题，而准确获取热流密度和结构体三维温度场是设计热防护系统的前提和基础。

当受热表面热流较高，热流计直接测量壁面的热流密度具有较大的误差。当受热结构的结构简单(如前缘、平板等)时，常规的导热反问题计算方法可以解决这类问题，即可通过非接触测量壁面的温度，借助导热反问题方法，反算出受热壁面的热流密度。但是，由于高超飞行器发动机的结构复杂，外形有曲面形状，并且含有内部冷却通道，此时，常规的导热反问题计算方法无法直接计算。为了实现这种复杂结构体三维温度场和热流密度的预测，需要探索新型的测试方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用非接触温度测量对含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取结构体的三维表面温度场分布W₁，作为导热微分方程的求解边界条件：

受热表面温度W₁：

式中，λ为结构体的导热系数；T为结构体的温度场；t表示计算时间；q₁表示结构体的热流密度；n为热流密度的方向；

2)获取结构体的内部局部温度T₁，T₂，…，作为导热微分方程的求解限定条件：

内部局部温度T₁，T₂，...：T(Ω₁,t)＝T₁；T(Ω₂,t)＝T₂，...(2)

式中，Ω_i表示结构体的计算区域，i＝1,2,3,…；

3)根据流体与冷却通道壁面的热传递的热流值建立冷却通道壁面上的热平衡方程，作为导热微分方程的求解边界条件：

内部边界S₁，S₂，...上的热平衡方程：

式中，S为结构体的内部边界，i＝1,2,3,…；h_i为结构体不同内部边界上的对流传热系数，i＝1,2,3,…；T_f为结构体内部冷却通道的流体温度；

4)利用结构体的受热表面温度W₁，内部边界S₁，S₂，…上的热平衡方程，以及内部局部温度T₁，T₂，…，并结合导热微分方程，获得完整的控制方程组，即式(1)-式(5)：

导热微分方程：

初始条件：T(Ω,t)＝T₀ (5)