CN109580162B - 一种用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置，包括外套组件和测量组件；测量组件包括热传导敏感元件、隔热套、支撑件、温度传感器、接地导线和电阻；热传导敏感元件的上部嵌入前套件中，与前套件之间留有空气缝隙，并且上端面与前套件的前端面平齐；热传导敏感元件的下部外侧包覆有隔热套，用于将热传导敏感元件与前套件内壁之间的缝隙封闭，隔热套上设置有通孔；热传导敏感元件的底面固接有温度传感器和接地导线，温度传感器上串联有电阻；温度传感器穿过通孔和空腔延伸至测量装置的外部；接地导线的另一端和支撑件相接；支撑件与前壳体固定连接，用于固定隔热套在内的位置。该装置能准确地、精确地测量强电磁环境下的高焓流场热流。

Description

一种用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置
技术领域
本发明涉及热流测量技术领域，尤其涉及一种用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置。
背景技术
高超声速飞行器研制是我国航空航天领域未来长期的战略目标，其在严酷的服役环境中受严重的气动加热作用，产生的高热流密度和高温严重威胁着飞行器和人员的安全。为此，必须采用耐高温的防热材料对飞行器进行热防护以满足飞行试验的需求。评估和鉴定飞行器热防护材料使用性能(催化、辐射、氧化)，需要在能够模拟飞行气动热环境和流场的实际组分的高焓感应耦合等离子体设备中进行大量地面试验。
准确理解高焓感应耦合等离子体设备所产生的流场和防热材料之间的气动加热的传热传质过程，量化其关键技术指标—热流密度，是开展防热材料使用性能地面模拟试验的基础，也是进一步优化飞行器结构效率的关键一环。因此，开展高焓感应耦合等离子体设备流场热流密度测量就显得尤为重要。
感应耦合等离子体设备由于是通过电磁感应耦合加热产生等离子体，具有流场纯净、高焓、强电磁等特点。在此环境下，使用常规的热流传感器开展流场热流测量会受到强电磁的干扰，因此需要设计一种用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置，保证热流结果的准确性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置，所述测量装置包括外套组件和测量组件；
所述外套组件包括前套件和后壳件；前套件和后壳件固定连接以形成内部具有容纳部分或全部测量组件的空腔的外套组件；
所述测量组件包括热传导敏感元件、隔热套、支撑件、温度传感器、接地导线和电阻；
所述热传导敏感元件的上部嵌入所述前套件中，与前套件之间留有空气缝隙，并且上端面与所述前套件的前端面平齐；所述热传导敏感元件的下部外侧包覆有隔热套，用于将所述热传导敏感元件与所述前套件内壁之间的缝隙封闭，所述隔热套上设置有通孔；
所述热传导敏感元件的底面固接有温度传感器和接地导线，温度传感器上串联有电阻；所述温度传感器穿过所述通孔和所述空腔延伸至测量装置的外部；所述接地导线的另一端和所述支撑件相接；
所述支撑件与所述前壳体固定连接，用于固定所述隔热套在所述内的位置。
优选地，所述空气缝隙的宽度为0.01～1mm。
优选地，所述空气缝隙内填充有隔热材料。
优选地，所述隔热材料为氧化铝和水玻璃按照1：(1～5)的体积比组成的混合物；
优选地，所述隔热材料为氧化铝和水玻璃按照1：(3～4)的体积比组成的混合物。
优选地，所述前壳体的前端为弧形凸起或平面。
优选地，所述热传导敏感元件包括圆柱体本体和设置在所述圆柱体本体顶部的前端面；
所述前端面的弧度和所述前壳体前端的弧度相同；
所述圆柱体的直径为5～10mm，高度为8～15mm。
优选地，所述前套件和所述后壳件均采用1Cr18Ni9Ti材料制成；
所述热传导敏感元件采用纯铜TU1材料制成；和/或
所述隔热套采用高硅氧材料制成。
优选地，所述温度传感器为K型热电偶，并且数目为两个，每一个K型热电偶上均串联有电阻。
优选地，所述电阻为高精密电阻，电阻阻值为200～300欧。
优选地，所述接地导线为铜丝，优选地，所述铜丝的直径为0.1～0.5mm。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明提供的热流测量装置中在温度传感器上连接高精密电阻，同时确保接地导线与支撑件紧密接触并导电，这样极大程度的减小了强电磁场对热流测量的干扰。
本发明提供的热流测量装置中的空气缝隙和隔热套结合使用，并优选出由氧化铝和水玻璃按照特定体积比组成的混合物作为隔热材料，可以用于减少传入或传出热传导敏感元件的热量，从而热流测量可以近似为一维热流。
本发明提供的热流测量装置中，前套件和所述后壳件均采用1Cr18Ni9Ti材料制成，热传导敏感元件采用纯铜TU1材料制成，所述隔热套采用高硅氧材料制成，确保了测量结果的准确性和精确性。
附图说明
图1是本发明提供的热流测量装置的结构示意图；
图2是本发明提供的热流测量装置中的前套件的结构示意图；
图3是热流测量曲线。
图中：11：前套件；12：后壳件；13：空腔；
21：热传导敏感元件；22：隔热套；23：支撑件；24：温度传感器；25：接地导线；26：电阻；27：空气缝隙；28：通孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置，如图1所示，所述测量装置包括外套组件和测量组件；
外套组件即为热流测量装置的外壳，具体包括前套件11和后壳件12；前套件11和后壳件12固定连接以形成内部具有容纳部分或全部测量组件的空腔13的外套组件；前套件11和后壳件12可以采用现有的固定连接方式，例如焊接、螺纹连接等，本发明对此不做具体限定；
测量组件用于测量热流，具体地，所述测量组件包括热传导敏感元件21、隔热套22、支撑件23、温度传感器24、接地导线25和电阻26；
所述热传导敏感元件21的上部嵌入所述前套件11中，与前套件11之间留有空气缝隙27，并且上端面与所述前套件11的前端面平齐；
所述热传导敏感元件21的下部外侧包覆有隔热套22，用于将所述热传导敏感元件21与所述前套件11内壁之间的缝隙封闭，所述隔热套22上设置有通孔28；热传导敏感元件21可以与隔热套22采用螺纹连接的方式，也可以采用其他连接方式。为了保证两者的牢固结合，热传导敏感元件21可以通过紧配合(即过盈配合)与隔热套22连接；
所述热传导敏感元件21的底面固接有温度传感器24和接地导线25，温度传感器24上串联有电阻26；所述温度传感器24穿过所述通孔28和所述空腔13延伸至测量装置的外部；所述接地导线25的另一端和所述支撑件23相接，通过与支撑件23相连，接地导线25起到导磁和导电的作用，确保测量结果的准确性和精确性；
所述支撑件23与所述前壳体11固定连接，用于固定所述隔热套22在所述空腔13内的位置。
结合图1和图2需要进行说明的是，外套组件的前端不是封闭结构，其设置有开口，用以嵌入热传导敏感元件21(即前套件11的前端设置有用以嵌入热传导敏感元件21的开口)；外套组件的后端封闭(即后壳体12的后端为封闭结构)，避免测试过程中热流进入空腔13内；支撑件23可以全部被封闭在外套组件内，也可以部分被封闭在外套组件内，而部分延伸至外套组件外；若支撑件23全部被封闭在外套组件内，热流测试装置可以通过焊接等方式与试样托架(试样托架为测试时用来承载热流测试装置的结构)固接；若支撑件23部分被封闭在外套组件内，部分延伸至外套组件外，可以在延伸至外套组件外的支撑件23上设置螺纹结构，通过螺纹连接这一连接方式与试样托架固接。
优选地，所述空气缝隙27的宽度为0.01～1mm，例如，可以为0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.07mm、0.09mm或1mm。本发明提供的这一热流测量装置的前端设计有空气缝隙，由于隔热套的存在，所以测试环境中的热流并不会快速地、直接地进入测量装置内部。但空气缝隙的宽度(此处宽度的含义指热传导敏感元件21的外侧与前壳体11内壁之间的垂直距离)也不应过宽，以0.01～1mm为最佳，这一宽度范围的空气缝隙可以忽略对流换热的影响。当然，也可以在所述空气缝隙27内填充有隔热材料进行物理隔离。隔热材料可以选用现有的隔热材料，优选采用氧化铝和水玻璃按照1：1～5的体积比组成的混合物，更优选采用氧化铝和水玻璃按照1：3～4的体积比组成的混合物。这一配比的隔热材料具有更低的热扩散率，表现出更好的隔热效果。这样，即使装置表面存在剧烈的压力变化时，气体进出绝热缝隙而引起的侧向加热也可以最小化。
所述前壳体11的前端可以为具有弧形凸起的曲面结构，也可以为平面结构，从而可以获得半球头状的热流测量装置或平头状的热流测量装置。经过实验验证，无论是半球头状的热流测量装置还是平头状的热流测量装置均表现出优异的重复性、准确性和精确性，在实际使用中，测量人员可以根据需要进行选择。前壳体11的内壁可以配合隔热套22和支撑件23设计为阶梯状，当然也可以设计为其它结构。热传导敏感元件21的上部嵌入所述前套件11中，并且热传导敏感元件21的上端面与所述前套件11的前端面平齐(此处平齐的含义指热传导敏感元件21的上端面的弧度与前套件11在该位置处的弧度相同)从而保证热传导敏感元件21单向受热。具体来说，所述热传导敏感元件21包括圆柱体本体和设置在所述圆柱体本体顶部的前端面；所述前端面的弧度和所述前壳体11前端的弧度相同以实现平齐效果；所述圆柱体的直径为5～10mm(例如，可以具体为5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm)，高度为8～15mm(例如，可以具体为8mm、10mm、12mm、15mm)，从而表现出较好的响应速度，满足一维传热测量原理。
具体来说所述前套件11和所述后壳件12可以均采用1Cr18Ni9Ti材料制成；所述热传导敏感元件21可以采用纯铜TU1材料制成；和/或所述隔热套22可以采用高硅氧材料制成。1Cr18Ni9Ti材料、纯铜TU1材料和高硅氧材料均可以采用市售产品或按照现有制备方法进行制备，本发明对此来源不做具体限定。
在一些实施例中，所述温度传感器24可以采用K型热电偶，并且数目为两个，每一个K型热电偶上均串联有电阻26。K型热电偶线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性较好，复现性较好，高温下抗氧化能力强。
在一些实施例中，所述电阻26为高精密电阻，电阻阻值为200～300欧。高精密电阻可以选用市售产品，本发明对其来源不做具体限定。
在一些实施例中，所述接地导线25可以采用铜丝，优选地，所述铜丝的直径为0.1～0.5mm(例如，可以为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm)。接地导线25从热传导敏感元件21的底部引出，另一端与支撑件23相连，从而起到导磁和导电的作用，提高检测结果的准确性和精确性。
更为全面地，本发明提供的热流测量装置包括如下结构：
所述测量装置包括外套组件和测量组件；
所述外套组件包括前套件11和后壳件12；前套件11和后壳件12固定连接以形成内部具有容纳部分或全部测量组件的空腔13的外套组件；所述前壳体11的前端为弧形凸起或平面；所述前套件11和所述后壳件12均采用1Cr18Ni9Ti材料制成；
所述测量组件包括热传导敏感元件21、隔热套22、支撑件23、温度传感器24、接地导线25和电阻26；所述热传导敏感元件21包括圆柱体本体和设置在所述圆柱体本体顶部的前端面；所述前端面的弧度和所述前壳体11前端的弧度相同；所述圆柱体的直径为5～10mm，高度为8～15mm；所述热传导敏感元件21采用纯铜TU1材料制成；所述隔热套22采用高硅氧材料制成；所述温度传感器24为K型热电偶，并且数目为两个，每一个K型热电偶上均串联有电阻26；所述电阻26为高精密电阻，电阻阻值为200～300欧；所述接地导线25为铜丝，优选地，所述铜丝的直径为0.1～0.5mm；
所述热传导敏感元件21的上部嵌入所述前套件11中，与前套件11之间留有空气缝隙27，并且上端面与所述前套件11的前端面平齐；空气缝隙27的宽度为0.01～1mm，填充有隔热材料，所述隔热材料为氧化铝和水玻璃按照1：(1～5)的体积比组成的混合物，优选为氧化铝和水玻璃按照1：(3～4)的体积比组成的混合物；
所述热传导敏感元件21的下部外侧包覆有隔热套22，用于将所述热传导敏感元件21与所述前套件11内壁之间的缝隙封闭，所述隔热套22上设置有通孔28；
所述热传导敏感元件21的底面固接有温度传感器24和接地导线25，温度传感器24上串联有电阻26；所述温度传感器24穿过所述通孔28和所述空腔13延伸至测量装置的外部；所述接地导线25的另一端和所述支撑件23相接；
所述支撑件23与所述前壳体11固定连接，用于固定所述隔热套22在所述13内的位置。
本发明提供的热流测量装置的工作原理：
热传导敏感元件21位于隔热套22中，与隔热套22紧密配合，热传导敏感元件21一侧与前套件11的外表面平齐，形成测量端面，另一侧底部安装有温度传感器24和接地导线25，其中温度传感器24上串联有高精密电阻26，接地导线25与支撑件23连接以起到导磁和导电的作用。隔热套22用于减少热传导敏感元件21与前套件11和后壳件12之间的热交换量，使之可以近似为一维传导热流。为了使侧向加热或热损失最小化，热传导敏感元件21与前套件11由小空气缝隙或者隔热材料物理隔离。这样即使热传导敏感元件21表面存在剧烈的压力变化时，由于空气进出缝隙的量也会很小，因而引起的测量加热也可以控制到很小。用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置适用于瞬态测量，不能承受长时间加热。为了获得典型热流数据，应利用快速送进机构将热流测量装置迅速送入热环境(流场)中，经过0.5～1s后，将热流测量装置从热环境中移除(试验停止)。通过测量获得的热传导敏感元件21的温升曲线斜率(ΔT/Δt)，并根据已知热传导敏感元件21的密度ρ、比热Cp和高度l，并根据能量平衡原理q＝ρCpl(ΔT/Δτ)确定热环境(流场)的热流，式中，ΔT指测量装置接触热源时的温升；Δτ指与温升相对应的时间。
针对目前传统热流传感器对强电磁环境下的高焓流场热流测量适应性差以及测量误差较大的问题，本发明提出的热流测量装置可以满足强电磁环境下高焓等离子体热流的测量需求，实现了低成本、易制作、小型化，使用寿命长等目标，极大地提高了高超声速飞行器热防护材料使用性能考核可靠性。
利用上述装置进行试验；装置的具体参数为：
所述前套件11为直径为20mm的半球头结构；
热传导敏感元件21的圆柱体本体的直径为5mm，高度为8mm；高精密电阻26的阻值为200欧；
接地导线25的直径为0.1mm；
空气缝隙27的宽度为1mm，内填充有氧化铝和水玻璃按照1：3的体积比组成的混合物。
将测流测量装置置于高频等离子体风洞高焓射流的流场中进行试验，测得的热流测量曲线如图3所示。
热传导敏感元件21的ρ＝8.93×103kg/m3，Cp＝3.86×102J/(kg·K)，l＝0.8×10- 3m，ΔT和Δτ可以根据图3中的热流曲线获得，然后根据q＝ρCpl(ΔT/Δτ)就可以获得热流数据。
在高频等离子体风洞高焓射流的流场诊断试验中，通过建立起亚音速和超音速流场来共同考核测量装置的测量重复性和精确性问题，采用现有的戈登计和水卡量热计测热对比分析来检验其准度问题，表1给出了流场诊断试验中两个试验状态下的热流对比数据。对于Φ20半球头的测量装置，在同一个超音速射流试验状态下，三次测量结果非常的接近，误差为3.4﹪。对于Φ50平头的测量装置，在同一个亚音速射流试验状态下，三次测量结果同样非常吻合，测量误差为2.8﹪。这表明按照上述方法设计的柱塞量热计具有很好的重复性。随后采用Φ50戈登计和Φ50水卡量热计测量相同亚音速高焓气体的热流同样得到较好的试验结果，以水卡量热计测量结果为基准，Φ50平头柱塞量热计的测量误差控制在7﹪以内。试验结果表明设计研发的柱塞量热计具有很高的精准度，精度准度误差小于7％，达到国际测热先进水平。并具有制作简单、价格便宜，安装容易，使用寿命长等特点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种用于强电磁环境下的高焓流场热流测量装置，其特征在于：所述测量装置包括外套组件和测量组件；
所述外套组件包括前套件和后壳件；前套件和后壳件固定连接以形成内部具有容纳部分或全部测量组件的空腔的外套组件；
所述测量组件包括热传导敏感元件、隔热套、支撑件、温度传感器、接地导线和电阻；
所述热传导敏感元件的上部嵌入所述前套件中，与前套件之间留有空气缝隙，并且上端面与所述前套件的前端面平齐；所述热传导敏感元件的下部外侧包覆有隔热套，用于将所述热传导敏感元件与所述前套件内壁之间的缝隙封闭，所述隔热套上设置有通孔；
所述热传导敏感元件的底面固接有温度传感器和接地导线，温度传感器上串联有电阻；所述温度传感器穿过所述通孔和所述空腔延伸至测量装置的外部；所述接地导线的另一端和所述支撑件相接；
所述支撑件与所述前套件固定连接，用于固定所述隔热套在所述空腔内的位置。
2.根据权利要求1所述的热流测量装置，其特征在于：所述空气缝隙的宽度为0.01～1mm。
3.根据权利要求2所述的热流测量装置，其特征在于：所述空气缝隙内填充有隔热材料。
4.根据权利要求3所述的热流测量装置，其特征在于：所述隔热材料为氧化铝和水玻璃按照1：(1～5)的体积比组成的混合物。
5.根据权利要求1所述的热流测量装置，其特征在于：所述前套件的前端为弧形凸起或平面。
6.根据权利要求1所述的热流测量装置，其特征在于：所述热传导敏感元件包括圆柱体本体和设置在所述圆柱体本体顶部的前端面；
设置在所述圆柱体本体顶部的所述前端面的弧度和所述前套件前端的弧度相同；
所述圆柱体本体的直径为5～10mm，高度为8～15mm。
7.根据权利要求1所述的热流测量装置，其特征在于：所述前套件和所述后壳件均采用1Cr18Ni9Ti材料制成；
所述热传导敏感元件采用纯铜TU1材料制成；和/或
所述隔热套采用高硅氧材料制成。
8.根据权利要求1所述的热流测量装置，其特征在于：所述温度传感器为K型热电偶，并且数目为两个，每一个K型热电偶上均串联有电阻。
9.根据权利要求1所述的热流测量装置，其特征在于：所述电阻为高精密电阻，电阻阻值为200～300欧。
10.根据权利要求1所述的热流测量装置，其特征在于：所述接地导线为铜丝。
11.根据权利要求10所述的热流测量装置，其特征在于：所述铜丝的直径为0.1～0.5mm。
12.根据权利要求4所述的热流测量装置，其特征在于：所述隔热材料为氧化铝和水玻璃按照1：(3～4)的体积比组成的混合物。
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