CN108151997B - 一种驻点热流和驻点压力共同测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种驻点热流和驻点压力共同测量装置及测量方法，涉及于电弧风洞高温流场测量的装置领域；包括连接板、水冷前缘、测压管、进水管、出水管、驻点热流探头、驻点压力探头和热电偶；进水管水平固定安装在连接板的上部；出水管水平固定安装在连接板的下部；水冷前缘固定安装在连接板的一侧，且水冷前缘的侧壁与进水管和出水管连通；驻点热流探头和驻点压力探头固定安装在连接板的侧壁；驻点热流探头设置在水冷前缘的上部；驻点压力探头设置在水冷前缘的下部；测压管沿轴向固定安装在连接板的一侧；热电偶固定安装在驻点热流探头穿过连接板的一端；本发明操作简单方便使用，减少试验次数，极大提高试验效率，同时保证测量参数具有较高的精度。

Description

一种驻点热流和驻点压力共同测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种电弧风洞高温流场测量的装置领域，特别是一种驻点热流和驻点压力共同测量装置及测量方法。
背景技术
等离子电弧加热器风洞装备，简称电弧风洞，是一种通过拉瓦尔喷管产生高温超声速热环境的大型地面试验设备，主要用于高超声速飞行器及太空返回舱的防热材料及防热结构的烧蚀考核，为防热系统的设计提供地面试验数据。电弧风洞模拟的热环境参数主要包括气流总焓、冷壁热流密度、流场压力，气流剪切力等，由于电弧风洞流场的总温高达几千开尔文，所以给各项参数的测量带来不同程度的困难。
驻点热流和驻点压力是电弧风洞试验中极为重要的参数。驻点热流采用常规热流探头测量，由于其测量原理的限制，使得测量时间尽量在2s以内，才能保证较高的测量精度。驻点压力采用水冷压力探头测量，由于测压管路较长，测压管内径较小，使得测量时间要维持15s以上，才能得到稳定准确的数据。同时由于在电弧风洞试验中，需要不断的调整驻点热流和驻点压力，以满足试验的需要，所以要对驻点热流和驻点压力进行多次测量。目前的送进支架只能安装一个探头，在一次电弧风洞试验中，只能对驻点热流或驻点压力中的一个参数进行测量。而且在转换测量参数时，需要耗费大量时间进行探头的拆卸、变换和安装，其探头拆装所需的时间要远远大于参数测量所需的时间。所以在目前的技术条件下，在电弧风洞试验中测量驻点热流和驻点压力的试验效率很低，急需改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种驻点热流和驻点压力共同测量装置及测量方法，操作简单方便使用，减少试验次数，极大提高试验效率，同时保证测量参数具有较高的精度。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，包括连接板、水冷前缘、测压管、进水管、出水管、驻点热流探头、驻点压力探头和热电偶；其中，连接板为竖直放置的矩形板状结构；进水管水平穿过连接板且固定安装在连接板的上部；出水管水平穿过连接板且固定安装在连接板的下部；水冷前缘固定安装在连接板的一侧，且水冷前缘的侧壁与进水管和出水管连通；驻点热流探头和驻点压力探头固定安装在连接板的侧壁；驻点热流探头设置在水冷前缘的上部；驻点压力探头设置在水冷前缘的下部；测压管沿轴向固定安装在连接板的一侧；热电偶固定安装在驻点热流探头穿过连接板的一端。
在上述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，所述的水冷前缘采用铜材料；水冷前缘的水平剖面外形为球锥形状；水冷前缘内部设置有冷却水通道，分别与进水管、出水管连通。
在上述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，所述连接板安装测压管的侧壁中心处，竖直设置有凹槽；所述的测压管采用铜材料；测压管为反向双拐折杆状结构；测压管顶部的水平杆垂直于连接板放置，且指向远离连接板；测压管中部的竖直杆安装在连接板的凹槽中；测压管底部的水平杆穿过连接板与驻点压力探头固定连接。
在上述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，所述测压管中部的竖直杆中部设置有两个半圆形弯曲结构，实现从侧面绕过进水管和出水管；测压管的内径不小于1mm。
在上述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，驻点压力探头的轴向设置有第一圆柱连接段；驻点压力探头通过第一圆柱连接段与连接板固定连接；第一圆柱连接段的轴向长度大于连接板厚度的且比连接板厚度小3mm以上。
在上述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，所述驻点热流探头6沿轴向设置有第二圆柱连接段；第二圆柱连接段沿轴向设置有竖直方向开槽，实现测压管和热电偶的引出。
在上述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，连接板上下两端均设置有水管通孔，实现进水管和出水管穿过连接板；所述水管通孔的内径大于进水管或出水管外径5mm以上。
在上述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，所述水冷前缘、进水管和出水管构成的冷却水通道承受的最大水压不小于2.5MPa；水冷前缘与进水管之间、水冷前缘与出水管之间采用生料带和高温胶密封。
在上述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置及测量方法，测量方法主要包括如下步骤：
步骤(一)、通过驻点热流探头的圆柱连接段将本装置安装在外部电弧风洞的送进支架上，使驻点压力探头处在流场中心位置；
步骤(二)、将进水管和出水管同外部冷却系统连接，将测压管和热电偶同外部采集系统连接；启动外部冷却系统和采集系统，随后启动电弧风洞，此时驻点压力探头处在高温流场中进行驻点压力测量；参数通过测压管传递到采集系统中；此时驻点热流探头6处在高温流场外部；
步骤(三)、待采集的驻点压力数据稳定后，通过送进支架使得整个测量装置向下快速运动，使驻点热流探头置于高温流场中心，进行驻点热流测量，参数通过热电偶传递到外部采集系统中；当驻点热流探头达到高温流场中心后一秒时，即刻停止电弧风洞运行，完成测量。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明将驻点热流探头和驻点压力探头连接在一起，可以在一次电弧风洞试验中先后对驻点压力和驻点热流进行测量，省去转换探头的拆装时间，减少试验次数，极大提高试验效率；
(2)本发明在一次电弧风洞试验中，实现驻点压力的长时间稳态测量和驻点热流的短时间瞬态测量，保证测量参数具有较高的精度；
(3)本发明操作简单，只需将热流探头的圆柱连接段插入电弧风洞现有的送进支架中，就可以方便使用。
附图说明
图1为本发明测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为测量装置示意图，由图可知，一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，包括连接板1、水冷前缘2、测压管3、进水管4、出水管5、驻点热流探头6、驻点压力探头7和热电偶8；其中，连接板1为竖直放置的矩形板状结构；进水管4水平穿过连接板1且固定安装在连接板1的上部；出水管5水平穿过连接板1且固定安装在连接板1的下部；水冷前缘2固定安装在连接板1的一侧，且水冷前缘2的侧壁与进水管4和出水管5连通；驻点热流探头6和驻点压力探头7固定安装在连接板1的侧壁；驻点热流探头6设置在水冷前缘2的上部；驻点压力探头7设置在水冷前缘2的下部；测压管3沿轴向固定安装在连接板1的一侧；热电偶8固定安装在驻点热流探头6穿过连接板1的一端。连接板1上下两端均设置有水管通孔，实现进水管4和出水管5穿过连接板1；所述水管通孔的内径大于进水管4或出水管5外径5mm以上。水冷前缘2、进水管4和出水管5构成的冷却水通道承受的最大水压不小于2.5MPa；水冷前缘2与进水管4之间、水冷前缘2与出水管5之间采用生料带和高温胶密封。
其中，水冷前缘2采用铜材料；水冷前缘2的水平剖面外形为球锥形状；水冷前缘2内部设置有冷却水通道，分别与进水管4、出水管5连通。
连接板1安装测压管3的侧壁中心处，竖直设置有凹槽；所述的测压管3采用铜材料；测压管3为反向双拐折杆状结构；测压管3顶部的水平杆垂直于连接板1放置，且指向远离连接板1；测压管3中部的竖直杆安装在连接板1的凹槽中；测压管3底部的水平杆穿过连接板1与驻点压力探头7固定连接。测压管3中部的竖直杆中部设置有两个半圆形弯曲结构，实现从侧面绕过进水管4和出水管5；测压管3的内径不小于1mm。
驻点压力探头7的轴向设置有第一圆柱连接段；驻点压力探头7通过第一圆柱连接段与连接板1固定连接；第一圆柱连接段的轴向长度大于连接板1厚度的且比连接板1厚度小3mm以上。
驻点热流探头6沿轴向设置有第二圆柱连接段；第二圆柱连接段沿轴向设置有竖直方向开槽，实现测压管3和热电偶8的引出。
测量方法主要包括如下步骤：
步骤(一)、通过驻点热流探头6的圆柱连接段将本装置安装在外部电弧风洞的送进支架上，使驻点压力探头7处在流场中心位置；
步骤(二)、将进水管4和出水管5同外部冷却系统连接，将测压管3和热电偶8同外部采集系统连接；启动外部冷却系统和采集系统，随后启动电弧风洞，此时驻点压力探头7处在高温流场中进行驻点压力测量；参数通过测压管3传递到采集系统中；此时驻点热流探头6处在高温流场外部；
步骤(三)、待采集的驻点压力数据稳定后，通过送进支架使得整个测量装置向下快速运动，使驻点热流探头6置于高温流场中心，进行驻点热流测量，参数通过热电偶8传递到外部采集系统中；当驻点热流探头6达到高温流场中心后一秒时，即刻停止电弧风洞运行，完成测量。
本发明专利按以下步骤组装：
首先，将进水管4和出水管5通过螺纹连接到水冷前缘2上，并采用生料带和高温胶密封，然后将进水管4和出水管5分别穿过连接板1的两个水管通孔，将水冷前缘2和连接板1的正面紧密连接。
其次，将测压管3下部的测量端通过焊接和驻点压力探头7内的测压孔连接，然后将测压管3穿过连接板1下端的探头通孔，并将驻点压力探头7的圆柱连接段插入连接板1下端的探头通孔，使得圆柱连接段的定位键嵌入探头通孔的键槽中，而后将下紧固螺钉拧入连接板1底部开口缝隙处的螺纹孔，对驻点压力探头7进行紧固。
再次，将测压管3安装在连接板1背面的凹槽中，务必使得测压管3中部的两个半圆形弯曲绕过进水管4和出水管5，安装后的测压管3的上部要与连接板1上端的探头通孔同轴。
再次，将驻点热流探头6的圆柱连接段插入连接板1上端的探头通孔，使得圆柱连接段的定位键嵌入探头通孔的键槽中，同时使得测压管3穿过驻点热流探头6的圆柱连接段竖直方向的开槽，然后将测压管3和热电偶8一同引出。而后将上紧固螺钉拧入连接板1顶部开口缝隙处的螺纹孔，对驻点热流探头6进行紧固。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，其特征在于：包括连接板(1)、水冷前缘(2)、测压管(3)、进水管(4)、出水管(5)、驻点热流探头(6)、驻点压力探头(7)和热电偶(8)；其中，连接板(1)为竖直放置的矩形板状结构；进水管(4)水平穿过连接板(1)且固定安装在连接板(1)的上部；出水管(5)水平穿过连接板(1)且固定安装在连接板(1)的下部；水冷前缘(2)固定安装在连接板(1)的一侧，且水冷前缘(2)的侧壁与进水管(4)和出水管(5)连通；驻点热流探头(6)和驻点压力探头(7)固定安装在连接板(1)的侧壁；驻点热流探头(6)设置在水冷前缘(2)的上部；驻点压力探头(7)设置在水冷前缘(2)的下部；测压管(3)沿轴向固定安装在连接板(1)的一侧；热电偶(8)固定安装在驻点热流探头(6)穿过连接板(1)的一端；
所述的水冷前缘(2)采用铜材料；水冷前缘(2)的水平剖面外形为球锥形状；水冷前缘(2)内部设置有冷却水通道，分别与进水管(4)、出水管(5)连通；
所述连接板(1)安装测压管(3)的侧壁中心处，竖直设置有凹槽；所述的测压管(3)采用铜材料；测压管(3)为反向双拐折杆状结构；测压管(3)顶部的水平杆垂直于连接板(1)放置，且指向远离连接板(1)；测压管(3)中部的竖直杆安装在连接板(1)的凹槽中；测压管(3)底部的水平杆穿过连接板(1)与驻点压力探头(7)固定连接；
所述测压管(3)中部的竖直杆中部设置有两个半圆形弯曲结构，实现从侧面绕过进水管(4)和出水管(5)；测压管(3)的内径不小于1mm；测量方法主要包括如下步骤：
步骤(一)、通过驻点热流探头(6)的第二圆柱连接段将驻点热流和驻点压力共同测量装置安装在外部电弧风洞的送进支架上，使驻点压力探头(7)处在流场中心位置；
步骤(二)、将进水管(4)和出水管(5)同外部冷却系统连接，将测压管(3)和热电偶(8)同外部采集系统连接；启动外部冷却系统和采集系统，随后启动电弧风洞，此时驻点压力探头(7)处在高温流场中进行驻点压力测量；压力测量值通过测压管(3)传递到采集系统中；此时驻点热流探头(6)处在高温流场外部；
步骤(三)、待采集的驻点压力数据稳定后，通过送进支架使得整个测量装置向下快速运动，使驻点热流探头(6)置于高温流场中心，进行驻点热流测量，热流测量值通过热电偶(8)传递到外部采集系统中；当驻点热流探头(6)达到高温流场中心后一秒时，停止电弧风洞运行，完成测量。
2.根据权利要求1所述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，其特征在于：驻点压力探头(7)的轴向设置有第一圆柱连接段；驻点压力探头(7)通过第一圆柱连接段与连接板(1)固定连接；第一圆柱连接段的轴向长度大于连接板(1)厚度的且比连接板(1)厚度小3mm以上。
3.根据权利要求2所述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，其特征在于：所述驻点热流探头(6)沿轴向设置有第二圆柱连接段；第二圆柱连接段沿轴向设置有竖直方向开槽，实现测压管(3)和热电偶(8)的引出。
4.根据权利要求3所述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，其特征在于：连接板(1)上下两端均设置有水管通孔，实现进水管(4)和出水管(5)穿过连接板(1)；所述水管通孔的内径大于进水管(4)或出水管(5)外径5mm以上。
5.根据权利要求4所述的一种驻点热流和驻点压力共同测量装置，其特征在于：所述水冷前缘(2)、进水管(4)和出水管(5)构成的冷却水通道承受的最大水压不小于2.5MPa；水冷前缘(2)与进水管(4)之间、水冷前缘(2)与出水管(5)之间采用生料带和高温胶密封。
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