燃气总温传感器的设计

佟显义，徐　微，郑　全，李　卓，于金山

（沈阳航天新光集团有限公司第一研究室，沈阳110043）



燃气总温传感器的设计

佟显义*，徐微，郑全，李卓，于金山

（沈阳航天新光集团有限公司第一研究室，沈阳110043）

摘要：研究了总温传感器的滞止理论，并在此基础上设计了一种滞止罩结构。为了初步验证滞止罩设计的合理性，采用数值方法对总温传感器滞止罩进行流固耦合模拟，获得了滞止罩内燃气流的速度分布及滞止罩内传感器测量端表面的温度分布，系统分析从数值模拟中提取的数据，得到的结果表明该设计能提高传感器对高速高焓燃气温度测量的准确度。

关键词：燃气温度测量；总温传感器；滞止理论；滞止罩设计；数值模拟

在航空航天领域中，准确测量燃烧室出口燃气流温度，能为发动机进气道及尾喷管的优化设计提供重要的参考数据［1］。实际测量高速高焓燃气温度时，为了使传感器测量温度更接近气流真实温度，通常将传感器与合适的滞止罩配套做成总温探针样式［2］。总温传感器测试时，燃气流受滞止室及传感器探头的双重滞止，正向流动速度迅速减小，气流的动能转变为热能，由燃气高速流动所带来的速度误差也将减小［3］。本文提出在滞止室内分别放置3种不同长度的传感器和6种气流马赫数等18种工况下进行流固耦合模拟，获得滞止罩内燃气流的速度分布及滞止罩内传感器测量端表面的平均温度，通过对模拟数据进行对比分析，以初步验证滞止罩设计的合理性［4］。

1　传感器的滞止理论

在热工流体力学中［5］，气流的总温Tt由静温T和动温Tv两部分组成。静温是度量气体分子自由运动的动能；动温是度量气体分子定向运动的动能。

式中，v为气流速度；cp为定压比热；k为绝热指数，气体定压比热与定容比热的比值，k=cp/cv，对于空气，k=1.4；对于燃气，k=1.33；Ma为气流马赫数。

传感器的指示温度与气流的总温的偏差，是测量误差。一般用传感器复温系数r表示气流绝能滞止时动能转化为热能的程度：

裸露式探针主要是通过气流碰撞及测量端表面黏性摩擦阻力的作用实现气流滞止的，故此复温系数一般较小，约为0.65［6］。经验证在传感器裸露探针外端合理设计一个滞止罩能有效提高传感器的复温系数，因高速气流进入滞止罩受到滞止室及传感器测量端的双重滞止，故传感器的复温系数一般能提高到0.86～0.98［7］。

2　滞止罩的结构设计准则

气流总温测量的关键是将流入传感器滞止室的高速气流有效的滞止，而传感器的复温系数是反映高速气流受到滞止室和传感器测量端双重滞止效应的综合结果［8］。

2.1滞止罩进出口的面积比

滞止室内气流的马赫数受滞止罩气流进出口面积比的影响，而速度误差是内流马赫数的函数。为了提高传感器测量气流温度的准确度，可以调节滞止室内气流马赫数来减小速度误差，但这样又会带来较大的导热误差和辐射误差。综合研究分析这些因素，最佳措施是控制内流马赫数在某特定范围内，总测量误差最小。经试验［9］证明：内流马赫数在0.08～0.15，总测量误差最小。根据经验及模拟试验结果得到滞止罩气流进出口最佳的面积比为：

式中，R为滞止罩进出口的面积比；A0为滞止罩进口面积；n为滞止罩放气孔个数；Ai为滞止罩某个放气孔面积。

当滞止罩进出口的面积比大于10时，传感器热惯性时间会变长；当这个面积比小于5时，复温系数r会减小。

2.2滞止室径向尺寸

在测量高温燃气温度时，传感器测量端与滞止室内壁面间发生强烈的辐射传热，辐射误差将随滞止室内径的增大而增大。为了有效减小辐射误差，滞止室内径要尽可能的小，但实际应用时还要考虑传感器的有效尺寸［10］。

2.3滞止室长度

传感器测量端固定位置、放气孔位置和测试空间综合决定滞止室的有效长度。为了减少传感器测量端向滞止室外部的高速气流传递热量，传感器测量端应固定在距离滞止室进出口适当的位置；为了有效提高气流滞止速率，放气孔应对称均匀分布在传感器测量端稍后的侧壁上［11］。

图1　总温传感器结构示意图

3　滞止罩的数值模拟

在热工流体力学中，采用CFD软件对总温传感器滞止罩内燃气流的速度分布和滞止罩内传感器测量端表面温度场分布进行流固耦合数值模拟［12］。分别在滞止室的底部，中间，上端合理选取三点放置不同长度的传感器探针，按照设计准则分别建立物理模型。

图2　滞止罩中流体域部分的网格划分

本次数值模拟选用的是基于压力求解法，CFD算法是按时间推进的有限体积法（FVM）。曲线坐标系下的动量守恒N-S方程通常作为控制方程，为了提高收敛速度和求解精度，离散流动格式选用耦合隐式格式及二阶迎风格式，离散湍流动量和湍流耗散率都采用Quick格式，湍流模型选用标准k-ε模型［13］。

数值模拟计算中，气流总温Tt=1 000 K，气流速度为0.1倍马赫数到0.4倍马赫数之间。为了简化模拟条件，流体设为空气，初始状态进口总压P∗=100 667 Pa，气流马赫数Ma=0.10，大气压强p0=105Pa。根据经验，气流入口取压力入口，出口取压力出口。物面设为无滑移边界条件［14］，壁面设为等温固壁。

3.1模拟结果分析

图3　传感器插入滞止室的长度为11 mm时，不同马赫数下的探针截面气流速度分布云图

表1　传感器插入滞止室长度11 mm时，不同马赫数下传感器测量端的温度和传感器的复温系数

图4　传感器插入滞止室长度17 mm时，不同马赫数下的探针截面气流速度分布云图

表2　传感器插入滞止室长度17 mm时，不同马赫数下传感器测量端的温度和传感器的复温系数

图5　传感器插入滞止室长度23 mm时，不同马赫数下的探针截面气流速度分布云图

表3　传感器插入滞止室长度23mm时，不同马赫数下传感器测量端的温度和传感器的复温系数

分析探针截面气流速度分布云图得出：同一个物理模型中，在不同气流进口马赫数下，滞止罩内部流场分布特性不同，高速气流进入总温传感器的滞止室，因受到局部的阻滞作用，气流速度迅速减小，在绝热条件下，气流将有向运动的动能转化为热能。在传感器插入滞止室的探测长度分别为11 mm、17 mm、23 mm时，气流速度分别为Ma=0.10（马赫数）、Ma=0.15、Ma=0.20、Ma=0.25、Ma=0.30、Ma=0.40等18种工况条件下进行流固耦合数值模拟。上述速度云图呈现的结果表明：高速气流进入总温传感器的滞止室，因受到滞止室的局部阻滞作用，在与传感器测量端接触之前气流速度已明显减小。

从上述3组云图及对应表格数据可知：传感器插入总温传感器滞止室的探测长度相同时，气流马赫数越低，传感器测量端的温度越接近总温；随着气流马赫数的升高，气流因将受黏性摩擦剪切力的作用，在滞止室内产生漩涡，造成滞止室内流场紊乱，同时也造成滞止室内流体温度分布不均，则传感器测量的温度会产生微弱的偏差。气流在滞止室内流动，会与四周温壁面间发生剧烈热量传递，传感器探测长度较长时，将与高温气流充分发生热量传递，辐射损失小，传感器测量端的温度更接近气流的总温，则传感器的复温系数越高。

总温测量的关键是总温传感器凭借自身特殊结构将流入滞止室的高速气流有效的滞止，而传感器的复温系数反映了高速气流受到滞止室和传感器测量端双重滞止效应的综合结果。通过模拟数据计算的结果可初步验证此滞止罩的设计是合理的，传感器的探测长度为11 mm、17 mm、23 mm时，气流马赫数分别Ma=0.10（马赫数）、Ma=0.15、Ma=0.20、Ma=0.25、Ma=0.30、Ma=0.40等18种工况条件下传感器的复温系数由表1、2、3可知都在0.86以上。

图6　制作的滞止罩

4　结论

为了减小传感器测量高速高焓气流温度的误差，设计了一种滞止罩结构。在三组18种工况下建立总温传感器物理模型，并采用CFD软件对总温传感器滞止罩内燃气流的速度分布和滞止罩内传感器测量端表面温度分布进行流固耦合模拟。本文通过对从数值模拟中提取的数据进行运算处理得出传感器放在滞止室内不同位置处，传感器的复温系数都在0.86以上，这初步验证了设计的滞止罩是合理的。

参考文献：

［1］邓和平，曾来荣，童泽润.总温热电偶在高温试验气流测量中的应用［C］//第十四届全国激波与激波管学术会议，424-431.

［2］李亚晋，赵俭，王建军.几种典型燃烧室高温气流温度传感器的设计［J］.计测技术，2014，34（3）：36-39.

［3］佟显义，赵春雷.纵横式滞止罩设计方案研究［J］.中国测试，2015，41（5）：70-74.

［4］张小庆，曾来荣，刘伟雄.总温探针在脉冲燃烧风洞中的应用［C］//第十五届全国激波与激波管学术会议论文，2013，13（7）：359-364.

［5］江超，胡兆炜，贾学珉.高温光纤温度传感器的研究进展［J］.传感器与微系统，2008，27（10）：1-4.

［6］张福才，孙鹏，王智超.石英温度传感器遥测温度计的设计［J］.传感技术学报，2013，26（9）：1314-1316.

［7］姚峰，董素君，王浚.高温燃气风洞加热特性仿真分析［J］.北京航空航天大学学报，2011，37（6）：685-691.

［8］徐志鹏，洪育仙，樊奇.多传感器PVTt法气体流量标准装置测温方案研究［J］.传感技术学报，2015，28（5）：635-640.

［9］陶盛，王东锋，阚继广.航空发动机燃气温度测量装置的设计与仿真［J］.机电产品开发与创新，2009，22（2）：154-156.

［10］Schneider M E，Kent L A.Measurements of Gas Velocities and Temperatures in a Large Open Pool Fire［J］Fire Technology，1989，25（1）：51-80.

［11］伍军，青龙，邓和平.超燃冲压发动机燃烧室出口气流总温测量［C］//中国空气动力学会测控技术专委会第六届四次学术交流会，2013（8）：1-7.

［12］吴颖，田金光，赵宇.某重型燃机用排气总温热电偶的设计与研究［J］.测控技术，2011，6（9）：312-315.

［13］丁欣硕，焦楠.FLUENT 14.5流体仿真计算从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2014.

［14］李海燕，王毅，荆卓寅.单屏温度传感器内部流场数值模拟研究［J］.计测技术，2009，14（08）：14-16.

佟显义（1986-），男，沈阳航天新光集团有限公司第一研究室工程师，主要研究方向液体火箭发动机结构设计与测试技术，shenyanghangkong521@126.com。

Design of the Gastotal Temperaturesensor

TONG Xianyi*，XU Wei，ZHENG Quan，LI Zhuo，YU Jinshan
（First Research Center，Shenyang Aerospace Xinguang Group Co.，Ltd.，Shenyang 110043，China）

Abstract：The stagnation theory of the total temperature sensor was studied，and a kind of the stagnation hood struc⁃ture was designed on the basis of this theory.To preliminary verify the rationality of the stagnation hood design，the fluid-solid coupling analog of the stagnation chamber was obtained by utilizing the numerical method and the veloci⁃ty distribution of Fuel gas flow inside the stagnation hood along with the surface temperature distribution of the sen⁃sor measurement end was also obtained.The data from the numerical simulation is systematically analyzed.The re⁃sults show that the accuracy of the temperature measurement of the high speed and high-enthalpy fuel gas could be improved through the use of the hood design.

Key words：gas temperature measurement；total temperature sensor；stagnation theory；designof stagnation hood；numerical simulation

doi：EEACC：7320R10.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.025

收稿日期：2015-08-23修改日期：2015-10-29

中图分类号：TK39

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）02-0301-05