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原文传递一种多孔结构渗透系数测量装置与方法

专利名称：	一种多孔结构渗透系数测量装置与方法
摘要：	本发明公开了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。本发明还公开了多孔结构渗透系数测量方法，包括气流加热器关闭状态下，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常温下的渗透系数；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流量测量装置、气流压力测量装置、气流温度测量装置和辐射测温装置的测量值得到高温下的渗透系数。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。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国航天空气动力技术研究院
发明人：	宋立业;罗晓光;聂榕序;俞继军;艾邦成
专利状态：	有效
申请日期：	2023-07-26T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-28T00:00:00+0800
申请号：	CN202310925777.8
公开号：	CN117129396A
代理机构：	中国航天科技专利中心
代理人：	范晓毅
分类号：	G01N15/08;G;G01;G01N;G01N15;G01N15/08
申请人地址：	100074 北京市丰台区云岗西路17号
主权项：	1.一种多孔结构渗透系数测量装置，其特征在于，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)、气流温度测量装置、气流压力测量装置(9)、辐射测温装置(11)和数据采集与计算模块(12)；多孔结构样件夹持结构(5)内部夹持多孔结构样件(7)；多孔结构样件夹持结构(5)内部设有用于消除气体压力梯度的压力缓冲腔(6)；气源(1)提供的气体依次流经气流加热器(3)、压力缓冲腔(6)和多孔结构样件(7)；气流加热器(3)用于控制气流温度；调压装置(2)设于气源(1)与气流加热器(3)之间的管路上，用于调节气体压力；气流流量测量装置(4)用于测量气体在进入多孔结构样件(7)之前的流量；气流压力测量装置(9)用于测量压力缓冲腔(6)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(8)和第二气流温度测量装置(10)；辐射测温装置(11)用于测量多孔结构样件(7)的表面温度；气流加热器(3)关闭时，数据采集与计算模块(12)根据气流与多孔结构样件(7)达到传热平衡态后气流流量测量装置(4)和气流压力测量装置(9)的测量值得到多孔结构样件(7)常温下的渗透系数；气流加热器(3)开启时，数据采集与计算模块(12)根据气流与多孔结构样件(7)达到传热平衡态后气流流量测量装置(4)、气流压力测量装置(9)、第一气流温度测量装置(8)、第二气流温度测量装置(10)和辐射测温装置(11)的测量值得到多孔结构样件(7)高温下的渗透系数。 2.根据权利要求1所述的一种多孔结构渗透系数测量装置，其特征在于，渗透系数包括Darcy渗透系数KD和Forchheimer系数KF。 3.根据权利要求1所述的一种多孔结构渗透系数测量装置，其特征在于，多孔结构样件夹持结构(5)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(7)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(7)在凹槽处卡紧，多孔结构样件(7)的一侧为压力缓冲腔(6)。 4.根据权利要求1所述的一种多孔结构渗透系数测量装置，其特征在于，第一气流温度测量装置(8)设于压力缓冲腔(6)中，第二气流温度测量装置(10)设于多孔结构样件夹持结构(5)内部位于多孔结构样件(7)后方的腔体中；通过比对第一气流温度测量装置(8)、第二气流温度测量装置(10)和辐射测温装置(11)的测量值判断多孔结构样件(7)是否达到传热平衡态。 5.一种多孔结构渗透系数测量方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的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(7)夹持于多孔结构样件夹持结构(5)内部；气源(1)提供的气体依次流经气流加热器(3)、压力缓冲腔(6)和多孔结构样件(7)；气流加热器(3)关闭状态下，利用调压装置(2)调节气体压力，数据采集与计算模块(12)根据不同气体压力下气流流量测量装置(4)和气流压力测量装置(9)的测量值得到多孔结构样件(7)常温下的渗透系数；气流加热器(3)开启状态下，利用调压装置(2)调节气体压力，数据采集与计算模块(12)根据不同气体压力下气流流量测量装置(4)、气流压力测量装置(9)、第一气流温度测量装置(8)、第二气流温度测量装置(10)和辐射测温装置(11)的测量值得到多孔结构样件(7)高温下的渗透系数。 6.根据权利要求5所述的一种多孔结构渗透系数测量方法，其特征在于，气流加热器(3)关闭状态下，利用调压装置(2)调节气体压力，数据采集与计算模块(12)根据不同气体压力下气流流量测量装置(4)和气流压力测量装置(9)的测量值得到多孔结构样件(7)常温下的渗透系数的具体方法包括：气流加热器(3)关闭状态下，利用调压装置(2)调节气体压力，数据采集与计算模块(12)在每一次调节气体压力后记录气流流量测量装置(4)读数稳定时的数值和气流压力测量装置(9)读数稳定时的数值Pi，i＝1,2,…N，利用调压装置(2)调节气体压力的总次数为N次；利用Pi和进行数值仿真，得到常温下的渗透系数。 7.根据权利要求6所述的一种多孔结构渗透系数测量方法，其特征在于，利用Pi和进行数值仿真的具体方法包括： S1.1以Pi为边界条件，基于多孔结构样件(7)的Darcy渗透系数KD和Forchheimer系数KF的估计值{KDj,KFj}求解与Pi相对应的流量计算值j≥0； S1.2根据和/>之差得到与{KDj,KFj}相对应的流量估计残差/> S1.3判断是否小于等于设定阈值，当小于等于设定阈值时，将该轮次的{KDj,KFj}作为多孔结构样件(7)的渗透系数，否则进入步骤S1.4； S1.4根据{KDj,KFj}和得到Darcy渗透系数KD和Forchheimer系数KF新一轮的估计值{KDj+1,KFj+1}；返回步骤S1.1，并使j＝j+1；当j＝0时，{KD0,KF0}为预先设定的多孔结构样件(7)的Darcy渗透系数KD和Forchheimer系数KF的初始估计值。 8.根据权利要求5所述的一种多孔结构渗透系数测量方法，其特征在于，气流加热器(3)开启状态下，利用调压装置(2)调节气体压力，数据采集与计算模块(12)根据不同气体压力下气流流量测量装置(4)、气流压力测量装置(9)、第一气流温度测量装置(8)、第二气流温度测量装置(10)和辐射测温装置(11)的测量值得到多孔结构样件(7)高温下的渗透系数的方法包括：气流加热器(3)开启状态下，利用调压装置(2)调节气体压力，数据采集与计算模块(12)在每一次调节气体压力后记录气流流量测量装置(4)读数稳定时的数值气流压力测量装置(9)读数稳定时的数值Pi′、辐射测温装置(11)读数稳定时的数值Tsi、第一气流温度测量装置(8)读数稳定时的数值Tini和第二气流温度测量装置(10)读数稳定时的数值Toi，i＝1,2,…N′，利用调压装置(2)调节气体压力的总次数为N′次；使各Tini的数值相等；利用Pi′、Tini、Toi和Tsi进行数值仿真，得到高温下的渗透系数。 9.根据权利要求8所述的一种多孔结构渗透系数测量方法，其特征在于，利用Pi′、Tini、Toi和Tsi进行数值仿真的具体方法包括： S2.1以Pi′和Tini为边界条件，基于多孔结构样件(7)的Darcy渗透系数KD和Forchheimer系数KF的估计值{KDj,KFj}求解与Pi′和Tini相对应的流量计算值气流出口温度计算值To,cal,ij和样件表面温度计算值Ts,cal,ij；j≥0； S2.2根据和/>之差得到与{KDj,KFj}相对应的流量估计残差/>根据To,cal,ij和Toi之差得到与{KDj,KFj}相对应的气流温度估计残差r(To,i)j；根据Ts,cal,ij和Tsi之差得到与{KDj,KFj}相对应的样件温度估计残差r(Ts,i)j； S2.3判断是否小于等于设定阈值，当小于等于设定阈值时，将该轮次的{KDj,KFj}作为多孔结构样件(7)的渗透系数，否则进入步骤S2.4； S2.4根据{KDj,KFj}、r(To,i)j和r(Ts,i)j得到Darcy渗透系数KD和Forchheimer系数KF新一轮的估计值{KDj+1,KFj+1}；返回步骤S2.1，并使j＝j+1；当j＝0时，{KD0,KF0}为预先设定的多孔结构样件(7)的Darcy渗透系数KD和Forchheimer系数KF的初始估计值。 10.根据权利要求5所述的一种多孔结构渗透系数测量方法，其特征在于，气流加热器(3)关闭状态下，数据采集与计算模块(12)以不同气体压力下气流压力测量装置(9)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(7)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(4)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(3)开启状态下，数据采集与计算模块(12)根据不同气体压力下气流压力测量装置(9)和第一气流温度测量装置(8)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(7)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(4)、第二气流温度测量装置(10)和辐射测温装置(11)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。
所属类别：	发明专利