CN105841917A - 一种超声速流场总压测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声速流场总压测量装置及测量方法，总压测量装置包括总压管，冷水加压装置和压力测量装置；总压管包括第一空腔以及环绕在第一空腔外部的水冷夹层；所述第一空腔为测压孔，顶端为气流入口，尾端为气流出口；所述水冷夹层的侧壁环绕第一空腔的侧壁，形成第二空腔，并裸露出气流入口和气流出口；水冷夹层的前端面连接侧壁的顶端，水冷夹层的后端具有注水开口，水冷夹层前端面和侧壁前端分别具有均布的小孔，小孔的直径不大于0.5mm。本发明的总压测量装置与常规总压测量相比，降低了总压管的尺寸，更能够适用于高温条件下超声速流场的总压的测试，可以承受长时间气动加热条件。

Description

一种超声速流场总压测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种超声速流场总压测量装置及测量方法，属于超声速风洞试验领域。

背景技术

总压是流动受到滞止、速度降为零的压力。总压管是测量总压的装置，通常是正对气流方向开口的圆管，要求总压管的尺寸尽量小，以减少对流场的干扰，更准确的测量总压。

常规总压测量装置通常测量亚声速流场的总压，而且通常为瞬态测量。由于亚声速流场不存在激波，流场的静温也较低，因此不需要采取防热措施，使用不锈钢材料即可。

在高温流场中测量总压的装置需要采取防热措施，常用的防热措施为水冷夹套方法，即将总压管浸没在冷却水中，通过流动的冷却水带走热量。但水冷夹套由于需要加工冷却水通道，而且通道内的水均为液态的水，带走的热量有限，因此装置通常外形尺寸较大，需要在冷却水入口配备较大的加压装置才能保证防热的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于长时间高温环境下超声速流场总压测量装置及测量方法，采用相变打孔式发汗冷却方式，水蒸气通过气膜孔喷至总压管表面形成气膜，对表面起到隔热和冷却的作用，带走高温气体的热量。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种总压管，包括测压通道和冷却通道；

所述测压通道包括第一侧壁及其围绕形成两端开口的第一空腔，第一空腔的顶端为气流入口，尾端为气流出口；

所述冷却通道包括第二侧壁、顶端、底端及第二空腔，第二侧壁环绕第一侧壁形成第二空腔，顶端和底端分别封闭第二空腔的两端；

第二侧壁的后端具有注水开口，顶端和第二侧壁的前部分别具有均布的小孔作为水蒸气出孔，小孔的直径不大于0.5mm。

优选的，所述第一侧壁为中空的圆柱体，所述第二侧壁为中空的圆柱体。

优选的，第一空腔的直径不大于3mm，第二侧壁的直径不大于10mm。

同时提供一种超声速流场总压测量装置，包括所述的总压管，冷水加压装置和压力测量装置；

所述冷水加压装置连接第二侧壁的后端的注水开口，用于注入加压冷却水；

所述压力测量装置测量气流的压力。

提供一种利用所述超声速流场总压测量装置测量总压的方法，包括如下步骤：

(1)根据气体来流热量确定冷却水的流量

(2)根据冷却水的流量对冷却水进行增压；

(3)总压管后端的注水开口接冷却水装置，气流出口连接压力测量装置；

(4)将总压管正对气体流动方向，通过支架安装在流场中；

(5)进行总压测量试验，通过压力测量装置获得第一空腔内气体压力测量数据p₀₂；

(6)根据压力测量数据p₀₂，由激波关系式反推来流总压p₀₁。

优选的，步骤(1)中根据来流热量确定冷却水的流量的具体方法为：Q_f≥Q_w，其中Q_f为单位时间内冷却水所带走的热量，Q_w为单位时间内由总压管外表面传递进来的热量，其中c_p为水的比热，ΔT为冷却水汽化后在小孔外侧的温度与注水开口端注入冷却水温度的差值，r为水蒸汽的相变潜热。

优选的，步骤(2)中根据冷却水的流量对冷却水进行增压的具体方法为：来流总压与冷却水压力差值Δp为：其中为冷却水的流量，ρ为水的密度，d为小孔直径。

优选的，步骤(6)中根据压力测量数据p₀₂，由激波关系式反推来流总压p₀₁的具体公式为：

$\frac{p_{02}}{p_{01}}={(\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{Ma}}_{\mathrm{\∞}}^2-\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}+1})}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}-1}}\·{\[\frac{(\mathrm{\γ}+1){\mathrm{Ma}}_{\mathrm{\∞}}^2}{(\mathrm{\γ}+1){\mathrm{Ma}}_{\mathrm{\∞}}^2+2}\]}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+1}}$

其中，γ为流场中气体的比热比，Ma_∞为来流的马赫数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的总压测量装置与常规总压测量相比，更能够适用于高温条件下超声速流场的总压的测试，可以承受长时间气动加热条件。来流温度高于2000K，测量时间大于20s的情况下，仍能准确测量，误差小于1％。

(2)本发明的总压测量装置与水冷夹套的防热方式相比，采用相变打孔式发汗冷却方法，直接在测压管头部将水喷出，利用了水相变潜热的能量，冷却效果更好，需要的降温介质更少，因此采用该方法设计的总压管外形尺寸较小，而且可以采用更低的冷却水压力实现与水冷夹套方式相同的冷却效果。

(3)本发明减小了总压管的尺寸，使得总压管对流场的干扰降低，测量更为准确。

附图说明

图1为本发明总压测量装置示意图；

图2为总压测量装置结构示意图；

图3为总压测量装置截面结构示意图；其中图3(a)为装置头部截面结构示意图，图3(b)为装置前部截面结构示意图，图3(c)为装置后部截面结构示意图；

图4为总压测量装置安装示意图。

具体实施方式

对承受长时间高热流气动加热条件下的总压测量装置，采用相变打孔式发汗冷却方式，在总压管表面分布气膜孔，采用水作为冷却剂，利用水相变吸收传导进总压管内部的热量，水蒸气通过气膜孔喷至总压管表面形成气膜，对表面起到隔热和冷却的作用，带走高温气体的热量。

为保证总压管能够准确测量流场的总压，需要根据高温流场的气体组分和性质，设计合适的总压测试结构，才能得到高温流场的总压。为保证总压管能够承受长时间高热流气动加热条件，在总压管头部表面分布气膜孔，采用水作为冷却剂，利用水相变吸收传导进入总压管内部的热量。

如图2所示，总压管包括内部中空的圆柱体，圆柱体内部的第一空腔1为气体通道，顶端为气流入口2，尾端为气流出口3；圆柱体外部环绕水冷夹层，并裸露出气流入口和气流出口，水冷夹层包括第二侧壁4、顶端5、底端6及第二空腔7，第二侧壁4环绕第一侧壁8形成第二空腔，顶端5和底端6分别封闭第二空腔的两端；水冷夹层的后端具有注水开口9，水冷夹层顶端5和侧壁前端分别具有均布的小孔，为保证水以气态形式喷出，小孔的直径不大于0.5mm。总压管后部连接冷却水通道，冷却水浸没在测压孔周围，头部均匀打四排小孔作为出水通道，每排间隔45°均布8个小孔，总压管头部平面间隔45°均布8个小孔，共计40个小孔。

总压管采用不锈钢材料制作。

总压管的示意图如图1所示，在喷管出口处将总压管与气流平行放置，孔口轴线对准气流方向，气流流经孔口处滞止，用导管把总压管的末端与压力测量装置相连。采用水冷方式进行热防护，冷却水从总压管末端的通道内流入，经前端的小孔排出。总压管为柱状结构，平行正对来流方向，后部与支架10相连。在中心安装测压孔，头部采用焊接方式固定在总压管中心，后部与测压装置相连。具体结构图如图2所示，总压测量装置安装示意图如图3所示。

系统主要技术指标为：总压管直径不大于10mm；测压孔直径不大于3mm；冷却水出口小孔直径不大于0.5mm；总压测试范围0.1～1.5MPa；来流静温2000K以上；来流马赫数1以上；测量时间大于20s。

测量高温环境下超声速流场总压的过程为：

(1)试验前根据来流热量确定冷却水的流量为保证冷却水能够完全带走总压管外表面的热量，需要使单位时间内冷却水在温升范围内所带走的热量大于由测压管外表面传递进来的热量，则应有关系式：

Q_f≥Q_w

Q_f为单位时间内冷却水所带走的热量，Q_w为单位时间内由总压管外表面传递进来的热量，其中c_p为冷却水的比热，ΔT为冷却水气化后在小孔外侧的温度与注水开口端注入冷却水温度的差值，r为水蒸汽的相变潜热；

(2)根据流量要求对冷却水进行增压，来流总压与冷却水压力差值Δp为：其中为冷却水的流量，ρ为水密度，d为小孔直径；

(3)总压管后端接冷却水装置和压力测量装置；

(4)将总压管正对流动方向，通过支架10安装在流场中；

(5)试验中通过水相变吸收传导进入总压管内部的热量，水蒸气通过气膜孔喷至总压管表面形成气膜，对表面起到隔热和冷却的作用，带走高温气体的热量，获得总压测量数据；

(6)由于超声速流场总压管前面会出现一道弓形激波，实际测量的是激波后的压力，还需要换算到激波前超声速来流的总压。根据测得的压力p₀₂，由以下公式反推来流总压p₀₁：

$\frac{p_{02}}{p_{01}}={(\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{Ma}}_{\mathrm{\∞}}^2-\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}+1})}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}-1}}\·{\[\frac{(\mathrm{\γ}+1){\mathrm{Ma}}_{\mathrm{\∞}}^2}{(\mathrm{\γ}+1){\mathrm{Ma}}_{\mathrm{\∞}}^2+2}\]}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+1}}$

其中，γ为流场中气体的比热比，Ma_∞为来流的马赫数。

本发明成功应用高温环境下超声速流场的总压测量，来流温度高于2000K，测量时间大于20s的情况下，仍能准确测量，误差小于1％。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种总压管，其特征在于：包括测压通道和冷却通道；

所述测压通道包括第一侧壁(8)及其围绕形成两端开口的第一空腔(1)，第一空腔的顶端为气流入口(2)，尾端为气流出口(3)；

所述冷却通道包括第二侧壁(4)、顶端(5)、底端(6)及第二空腔(7)，第二侧壁(4)环绕第一侧壁(8)形成第二空腔，顶端和底端分别封闭第二空腔的两端；

第二侧壁(4)的后端具有注水开口(9)，顶端(5)和第二侧壁(4)的前部分别具有均布的小孔作为水蒸气出孔，小孔的直径不大于0.5mm。

2.根据权利要求1所述的总压管，其特征在于，所述第一侧壁(8)为中空的圆柱体，所述第二侧壁(4)为中空的圆柱体。

3.根据权利要求1所述的总压管，其特征在于，第一空腔(1)的直径不大于3mm，第二侧壁(4)的直径不大于10mm。

4.一种超声速流场总压测量装置，其特征在于包括权利要求1所述的总压管，冷水加压装置和压力测量装置；

所述冷水加压装置连接第二侧壁(4)的后端的注水开口(9)，用于注入加压冷却水；

所述压力测量装置测量气流的压力。

5.一种利用权利要求4所述超声速流场总压测量装置测量总压的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据气体来流热量确定冷却水的流量

(2)根据冷却水的流量对冷却水进行增压；

(3)总压管后端的注水开口接冷却水装置，气流出口连接压力测量装置；

(4)将总压管正对气体流动方向，通过支架(10)安装在流场中；

(5)进行总压测量试验，通过压力测量装置获得第一空腔内气体压力测量数据p₀₂；

(6)根据压力测量数据p₀₂，由激波关系式反推来流总压p₀₁。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，步骤(1)中根据来流热量确定冷却水的流量的具体方法为：Q_f≥Q_w，其中Q_f为单位时间内冷却水所带走的热量，Q_w为单位时间内由总压管外表面传递进来的热量，其中c_p为水的比热，ΔT为冷却水汽化后在小孔外侧的温度与注水开口端注入冷却水温度的差值，r为水蒸汽的相变潜热。

7.根据权利要求5或6所述方法，其特征在于，步骤(2)中根据冷却水的流量对冷却水进行增压的具体方法为：来流总压与冷却水压力差值Δp为：其中为冷却水的流量，ρ为水的密度，d为小孔直径。

8.根据权利要求5或6所述方法，其特征在于，步骤(6)中根据压力测量数据p₀₂，由激波关系式反推来流总压p₀₁的具体公式为：

$\frac{p_{02}}{p_{01}}={(\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{Ma}}_{\mathrm{\∞}}^2-\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}+1})}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}-1}}\·{\[\frac{(\mathrm{\γ}+1){\mathrm{Ma}}_{\mathrm{\∞}}^2}{(\mathrm{\γ}+1){\mathrm{Ma}}_{\mathrm{\∞}}^2+2}\]}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+1}}$

其中，γ为流场中气体的比热比，Ma_∞为来流的马赫数。