高热流密度传热试验台设计.pdf

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1、第4期(总第201期)车用发动机No．4(SerialNo．201)2012年8月VEHICLEENGINEAug．2012·设计计算·高热流密度传热试验台设计夏平，张宇，夏琪伟，傅佳宏，沈瑜铭，俞小莉(浙江大学动力机械及车辆工程研究所，浙江杭州310027)摘要：针对工程领域高热流密度传热问题实机试验复杂、数值仿真又难以确定准确边界的现状。设计了一种模拟试验台，在简单试件的两侧进行加热和冷却，形成高热流密度，在此基础上进行测试和控制。试件采用多种固定方式固定于试验支架，模拟实际力学约束条件。加热侧采用感应加热系统，冷却侧采用射流冲击冷却系统。数据采集和控制系统由NI硬件及其

2、软件平台构建，应用cRIO嵌入式实时控制器及其相应的采集卡和输出卡，实现多种测量、记录和反馈报警。经试验验证，该试验台可以使试件达到1MW／m2的平均热流密度，可用于承受高热流密度热负荷作用的试件和材料的传热规律研究及其热疲劳可靠性研究。关键词：高热流密度；传热；模拟试验；感应加热；试验台DOI：10．3969／j．issn．1001—2222．2012．04．001中图分类号lTK464文献标志码：B文章编号：1001—2222(2012)04—0001—05高热流密度传热过程存在于航空航天、装备制良好的流动性，耐高温，热稳定性好，导热系数大，是造、金属冶炼、电子元件加工等

3、工程领域。在内燃机导热水(蒸汽)的良好替代品，但其所能达到的最高工程领域，随着燃烧强度的不断增加，高热流密度传温度和热流密度亦较低。热问题逐渐受到人们关注。激光加热法主要应用于金属加热‘5

4、，其加热面利用有限元方法对高热流密度传热问题进行仿积和时间能够得到严格控制，加热快速有效，可达到真计算，能在有限的试验条件下解决复杂的耦合传1MW／m2的热流密度。但其成本较高，且不能用热问题[1。2]，耗时短，成本低。但由于高热流密度内于大面积均匀加热。燃机缸内传热理论研究工作有限，计算模型较少，尚感应加热法是金属加热的另一主要方式‘6。，其难以准确定义其传热边界条件。实机试验能有效确加

5、热功率高、加热快、加热表面浅，强度可通过电流定传热边界条件，但耗时长，成本高，排放量大，对试精确控制。相比于激光加热法，其应用更广，对于一验条件要求苛刻。模拟试验简化了试验条件，能有定尺寸的零件，可以实现多种表面形状的均匀加热。针对性地克服实机试验的局限，给仿真提供相对准鉴于感应加热法的特点本试验台采用感应加热确的试验验证，确定边界条件的同时，降低成本，缩法构建热源。短工时，是一种有效的试验方法[3]。1试验台结构及功能热源的选择是模拟高热流密度温度场的关键。现有的热源加热方法有火焰加热法、红外加热法、导试验台分为硬件系统和软件系统两部分，其结热油换热法、热空气换热法、水(蒸

6、汽)换热法、激光构见图1。硬件系统包括试验支架、感应加热系统、加热法、感应加热法等。射流冷却系统及其安全报警系统，主要负责产生试火焰法加热速度快，可达到的热流密度较高，但件上的高热流密度温度场。软件系统包括测试控制火焰方向和大小不易控制，加热均匀性差，能源利用系统、数据采集系统、数据存储系统等，主要负责对率不高。红外加热法可以实现温度可控的辐射传加热、冷却系统的控制以及试验数据的采集和存储。热，常用于材料的热负荷试验，但其温度变化较慢。试验台采用感应加热方式对试件一侧进行加热空气和水(蒸汽)强制对流加热法易于监测和热，同时在另一侧进行射流冲击冷却，以构成试件冷控制，可以实现均

7、匀稳定的传热，但由于流体本身热热两侧间高热流密度；同时在壁面法向上分层布置容量限制，所形成的热流密度较低。导热油[43具有热电偶，测得温度场的分布，用以实现反馈控制并为收稿日期：2012-02—20；修回日期：2012—07—19作者简介：夏平(1985一)，男，硕士，主要研究向为内燃机传热和车辆热管理；xp23@zju．edu．cn。车用发动机2012年第4期后续仿真提供边界条件。和试件保持1～2tin的距离。加热电流由控制系统该试验台可对各种金属材料的高热流密度受热提供。将试件受热面温度信号接入温控仪，温控仪件进行试验。所用试件可以根据模拟对象的不同制采用PID控制，输出

8、o～10V控制信号至加热系统，成不同几何形状。本研究以最简单的平板试件为例控制加热功率，将试件加热面温度控制在指定值。对试验台系统进行说明。2．2射流冷却系统射流冷却系统用于给试件非受热面降温冷却，包括压力传感器、水泵、电磁阀、喷水系统和集水箱、泄水阀等。喷水系统的结构见图2，9个可调喷头均匀分布于平板上方，经3根支管连接于总管上。冷却水经水泵加压后再由喷头喷出，喷出的水柱成实心锥形，可调节锥角使水流覆盖整个平板上表面，以达到均匀冷却。1一电源主机；2一负载电容柜；3一水压传感器；4--泵；5--电磁阀