《基於恆壓式熱膜探頭的高超聲速流場測量關鍵技術研究》是依託南京航空航天大學，由張天宏擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於恆壓式熱膜探頭的高超聲速流場測量關鍵技術研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張天宏
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱式風速儀因其突出的動態特性和邊界探測能力而成為高超聲速流場實驗研究頗具前途的測試工具之一，特別適於高超聲速邊界層湍流特性研究。目前國內外使用的風速儀一般採用恆溫式熱線探頭，適合用於300m/s 以下流速。本項目採用恆壓式熱膜探頭，既保證高超聲速流場中的耐用性，又具有平坦寬頻動態特性。根據傳熱學原理採用建模技術對熱膜和襯底的選材、探頭幾何構型進行最佳化設計，研究適用於高超聲速流場測量的熱膜探頭；為滿足高超聲速流場的高頻動態測量要求，對熱膜探頭採取恆壓控制方式，控制電路中採用低噪聲寬頻帶放大器和寬頻補償網路，通過電路仿真和頻率特性測試實現控制電路的最佳化設計；在高超聲速風洞環境下開展恆壓式熱膜探頭測量系統的標定和驗證試驗，研究熱膜探頭動態時間常數的原位測量和基於人工神經網路的熱膜探頭自動校準方法，以提高實際測量套用的效率。最終實現馬赫數6左右的流速測量系統，為高超聲速推進技術研究奠定基礎。
結題摘要
熱式風速儀因其突出的動態特性、連續測量能力、良好的邊界探測能力以及易於使用性，而成為高超聲速流場實驗研究頗具前途的測試工具之一。本項目以高超聲速邊界層湍流特性測試為研究目標，開展高性能熱式風速儀的關鍵基礎技術研究。主要開展了5個方面的研究工作： （1）熱線-熱膜探頭建模與分析研究。根據熱平衡工作原理，針對不同尺寸和構型的熱線、熱膜探頭進行了數學建模和仿真分析，建立了熱線探頭的集總式和分散式動靜態數學模型，進一步對楔型熱膜探頭的熱膜、Pad和襯底等進行熱格線劃分和熱量平衡分析，獲得了流過熱膜的電流與流場物性參數的關係式。 （2）熱線-熱膜探頭製備技術研究。在熱線探頭製備方面，分別嘗試了錫焊和電弧焊接方式，其中電弧焊接相對可靠；在熱膜探頭製備方面，採用物理沉積蒸發鍍方法分別進行了石英纖維和石英棒熱膜探頭的試製，通過所設計的模具，依次在石英表面鍍上鎳膜、銅膜和二氧化矽保護層，從而形成熱膜敏感元件，實驗證明所製備的熱膜探頭能用於風速測量，但製備工藝有待完善。 （3）探頭控制電路設計研究。分別對CTA和CVA控制電路進行了建模分析和最佳化設計。在CTA控制電路方面，提出了基於熱線工作過熱比-運算放大器增益-惠斯通橋路電阻的CTA系統穩定判據，提出了基於偏置電壓的CTA系統穩定性控制方法，提出了基於偏置電壓的CTA系統動態特性調節控制方法，實驗驗證了所提方法的有效性。在CVA控制電路方面，設計了時間常數的原位測量電路和T型橋補償電路以提高CVA系統的動態頻響。 （4）熱式風速儀校準技術研究。設計了馬赫數1~7可調超聲速噴管，建立了流速範圍從0.1m/s到超聲速的風速儀校準實驗台，進行了全範圍的靜態流場標定試驗，校核結果滿足設計要求。 （5）熱式風速儀測量系統試製。分別試製了CTA和CVA測量系統，其中基於參數最佳化配置的CTA系統在保證穩定性前提下，具有良好的動態調節特性，動態頻響可達到24.42KHz，在0~300 m/s範圍內的測量誤差可以控制在2%以內。CVA測量系統採取攜帶型設計思想，在測量性能方面相對於當前商用風速儀具有顯著優勢。
