CN111562082A - 一种高温环境下非稳态脉动压力测试系统 - Google Patents

一种高温环境下非稳态脉动压力测试系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及航天试验技术领域，尤其涉及一种高温环境下非稳态脉动压力测试系统，通过循环冷却腔进行冷却，从而保证了脉动压力传感器免遭高温破坏，进而才获得了测量脉动压力y(t)，并且通过传递函数H(∫)的修正获得了实际脉动压力x(t)。

Description

一种高温环境下非稳态脉动压力测试系统
技术领域
本申请涉及航天试验技术领域，尤其涉及一种高温环境下非稳态脉动压力测试系统。
背景技术
飞行器在飞行过程中，特殊位置处的脉动压力是非稳态的，所以在地面开展空气动力学试验时，需要测量飞行器结构表面的非稳态脉动压力，而在一些情况下，还需要在高温环境下进行空气动力学试验，以测量高温环境下的非稳态脉动压力(例如：测量发动机燃烧室内的非稳态脉动压力)，但是在高温环境下是难以获取飞行器的非稳态脉动压力的。
因此，如何获取高温环境下的非稳态脉动压力，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种高温环境下非稳态脉动压力测试系统，以获得高温环境下的非稳态脉动压力。
为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
一种高温环境下非稳态脉动压力测试系统，包括：脉动压力传感器、测试部件、传感器安装底座、反射消除管道和末端吸声部件；测试部件具有贯通两端的测试管道，并且测试部件还具有与测试管道不连通的循环冷却腔，所述循环冷却腔在周向包围着测试管道；传感器安装底座与测试管道的外壁连接，脉动压力传感器安装于传感器安装底座的安装槽内，脉动压力传感器的底面与安装槽的底面之间形成体积为V的测量腔体，安装槽的底部具有连通测量腔体与测试管道的连通管道；反射消除管道的入口与测试管道的出口连通，以削弱或消除在其内传输的脉动压力波，并且反射消除管道的管径与测试管道的管径相等，以避免脉动压力波发生反射；末端吸声部件与反射消除管道的出口连接，以吸收经在反射消除管道中传播而削弱后的脉动压力波；脉动压力传感器测得测量脉动压力y(t)，将测量脉动压力y(t)进行傅里叶变换得到Y(v)＝F{y(t)}，将Y(v)带入公式x(t)＝F-1{X(v)}＝F-1{Y(v)/H(v)}中，计算得到实际脉动压力x(t)，其中F-1为傅里叶逆变换，X(v)＝F{x(t)}，H(∫)是传递函数。
如上所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其中，优选的是，测试管道的长度较循环冷却腔的长度长。
如上所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其中，优选的是，传感器安装底座与测试部件为一体成型结构。
如上所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其中，优选的是，传感器安装座从测试管道的外壁处向外延伸出循环冷却腔的外壁，并且传感器安装底座具有开口位于循环冷却腔的外壁之外的安装槽。
如上所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其中，优选的是，还包括：外置冷气循环散热系统，循环冷却腔与外置冷气循环散热系统连通，以向循环冷却腔内输送冷却介质。
如上所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其中，优选的是，反射消除通道为柔性等截面金属软管或柔性等截面塑料管。
如上所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其中，优选的是，通过连接接头将反射消除管道的入口与测试管道的出口连接，并且连接接头的管径、反射消除管道的管径和测试管道的管径均相等。
如上所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其中，优选的是，反射消除管道的长度不小于6m。
如上所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其中，优选的是，在常温状态下获得常温下的传递函数H1(v)，依据常温下的实际脉动压力x1(t)、常温下的测量脉动压力为y1(t)和常温下的传递函数H1(v)建立有限元模型，将该有限元模型对应的温度调整至高温，得到高温状态下的传递函数H(v)。
如上所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其中，优选的是，测试系统的使用频率上限小于ωn/5π，其中固有频率
Figure BDA0002504745400000031
r为连通管道的直径、c＝20.04T1/2为气体声速、T为温度、V为测量腔体的体积、L为连通管道的长度。
相对上述背景技术，本发明所提供的高温状态下非稳态脉动压力测试系统通过循环冷却腔进行冷却，从而保证了脉动压力传感器免遭高温破坏，进而才获得了测量脉动压力y(t)，并且通过传递函数H(∫)的修正得到了实际脉动压力x(t)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的高温环境下非稳态脉动压力测试系统的示意图；
图2是本申请实施例提供的测试系统的测试通道示意图；
图3是本申请实施例提供的测试系统的传递函数获取系统示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
请参见图1，图1是本申请实施例提供的高温环境下非稳态脉动压力测试系统的示意图。
本申请提供了一种高温环境下非稳态脉动压力测试系统100，包括：脉动压力传感器110、测试部件120、传感器安装底座130、反射消除管道140、末端吸声部件150和外置冷气循环散热系统160。
其中，测试部件120具有贯通两端的测试管道121，并且测试部件120还具有与测试管道121不连通的循环冷却腔122，该循环冷却腔122在周向包围着测试管道121，以对测试管道121以及其内部的介质(例如：空气)进行冷却降温。
另外，测试管道121的长度较循环冷却腔122的长度长，也可以是测试管道121的入口伸出循环冷却腔122一定的长度，从而可以使得测试管道121伸入被测物体200内部(例如：发动机燃烧室内)，也可以是测试管道121的出口伸出循环冷却腔122一定的长度，从而可以方便测试管道121与反射消除管道140连接。
传感器安装底座130与测试管道121的外壁连接，优选可以从测试管道121的外壁处向外延伸出循环冷却腔122的外壁，优选的传感器安装底座130与测试部件120为一体成型结构，具体可以通过3D打印技术一体成型。
另外，传感器安装底座130具有安装槽，用于盛放脉动压力传感器110，具体可以是传感器安装底座130具有开口位于循环冷却腔122的外壁之外的安装槽，以便于向安装槽内暗转脉动压力传感器110。
脉动压力传感器110的底面与安装槽的底面之间形成体积为V的测量腔体180(参阅图2)，安装槽的底部具有连通测量腔体180与测试管道121的连通管道131，用于将传播至测试管道121中的脉动压力波300继续通过连通管道131传播至测量腔体180中。
测试部件120的循环冷却腔122与外置冷气循环散热系统160连通，以向循环冷却腔122内输送冷却介质(例如：磷酸盐型冷却液)，从而对测试管道121及其内的介质(例如：空气)进行冷却，具体的循环冷却腔122的外壁具有循环冷却腔入口1221和循环冷却腔出口1222，循环冷却腔入口1221与外置冷气循环散热系统160的输出管161连通，循环冷却腔出口1222与外置冷气循环散热系统160的输入管163连通。具体的，可以是从循环冷却腔122的外壁上向外延伸循环冷却腔输入管，该循环冷却腔输入管上设置循环冷却腔入口1221，另外从循环冷却腔122的外壁上向外延伸循环冷却腔输出管，该循环冷却腔输出管上设置循环冷却腔出口1222。在上述基础上，传感器安装底座130、测试部件120、循环冷却腔输入管和循环冷却输出管为一体成型结构，具体可以通过3D打印技术一体成型。
在上述基础上，外置冷气循环散热系统160的输出管161和输入管163均与电动泵系统162连接，以驱动冷却介质循环降温，保护脉动压力传感器110免收高温的破坏，因此本申请可以获得高温环境下的非稳态脉动压力，具体可以是获得不小于1000℃的高温环境下的非稳态脉动压力。
反射消除管道140的入口与测试管道121的出口连通，通过反射消除管道140削弱或消除在其内传输的脉动压力波300，并且反射消除管道140的管径与测试管道121的管径相等，从而避免了从测试管道121中传播至反射消除管道140中的脉动压力波300发生反射，进而提高了脉动压力传感器110获取的非稳态脉动压力的准确性。另外，为了减少本申请的高温环境下非稳态脉动压力测试系统的占用体积，优选的反射消除通道140为柔性等截面金属软管或柔性等截面塑料管。
具体的，通过连接接头170将反射消除管道140的入口与测试管道121的出口连接，并且连接接头170的管径、反射消除管道140的管径和测试管道121的管径均相等，以保证在测试管道121、连接接头170和反射消除管道140中传播的脉动压力波300均不会发生反射。
反射消除管道140的出口与末端吸声部件150连接，以吸收经在反射消除管道140中传播而削弱后的脉动压力波300。但是，往往末端吸声部件150是难以将脉动压力波300全部吸收掉，所以未被吸收的脉动压力波300依然会发生反射，对脉动压力传感器110测量造成影响，因此为了进一步削弱传播的脉动压力波300，本申请中优选将反射消除管道140的长度设置的较长，以通过较长的通道实现对脉动压力波300的消除，从而提高了脉动压力传感器110的测试精度，具体的，反射消除管道140的长度不小于6m。
脉动压力波300从测试管道121的入口传播至测试管道121内，并且在测试管道121内继续传播，其中一部分脉动压力波300通过连通管道131传播至测量腔体180内，通过脉动压力传感器110进行检测，测得测量脉动压力为y(t)，另一部分脉动压力波300则通过反射消除管道140和末端吸声部件150消除，避免影响脉动压力传感器110的测量精度。在此过程中，通过外置冷气循环散热系统160不断向循环冷却腔122内输入冷却介质，从而实现了对高温环境下的非稳态脉动压力进行测试。
将测量脉动压力y(t)进行傅里叶变换得到Y(∫)＝F{y(t)}，将Y(∫)带入公式x(t)＝F-1{X(∫)}＝F-1{Y(∫)/H(∫)}中，计算得到实际脉动压力x(t)，其中F-1为傅里叶逆变换，X(∫)＝F{x(t)}，H(∫)是传递函数，是通过实验获得的。本申请通过传递函数H(∫)修正，可以获得实际的非稳态脉动压力。
请参阅图3，通过测试系统的传递函数获取系统获得常温下的传递函数H1(∫)；
其中，测试系统的传递函数获取系统400包括：白噪声发射设备410、脉动压力传感器420和上述高温环境下非稳态脉动压力测试系统100。白噪声发射设备410产生白噪声，具体的白噪声发射设备410可以包括：封闭声腔体411、喇叭412、信号发生器413和信号放大器414，信号发射器413产生白噪声信号，白噪声信号通过信号放大器414放大后，经喇叭412发声在封闭声腔体411中形成稳定的白噪声。
脉动压力传感器420获取白噪声发射设备410产生的白噪声的在常温下的实际脉动压力x1(t)，高温环境下非稳态脉动压力测试系统100获取白噪声发射设备410产生的白噪声的在常温下的测量脉动压力为y1(t)，将得到的常温下的实际脉动压力x1(t)和常温下的测量脉动压力为y1(t)进行傅里叶变换得到X1(∫)和Y1(∫)，通过公式H1(∫)＝Y1(∫)/X1(∫)得到常温下的传递函数H1(∫)。
依据常温下的实际脉动压力x1(t)、常温下的测量脉动压力为y1(t)和常温下的传递函数H1(∫)建立有限元模型，通过在常温状态下的多次试验，验证了该有限元模型的准确性，在该有限元模型准确的状态下，将该有限元模型对应的温度调整至高温，依据调整后的高温状态下的有限元模型，得到高温状态下的传递函数H(∫)。
在上述基础上，本申请提供的高温环境非稳态脉动压力测试系统的系统固有频率
Figure BDA0002504745400000071
其中，r为连通管道131的直径、c＝20.04T1/2为气体声速、T为温度、V为测量腔体180的体积、L为连通管道131的长度。
为了保证测试的精确性，本申请提供的高温环境非稳态脉动压力测试系统的使用频率上限小于ωn/5π。由上可知，本申请的高温环境非稳态脉动压力测试系统的使用频率上限主要受测量腔体180和连通管道131的影响，而测试管道121的尺寸则对本申请的高温环境非稳态脉动压力测试系统的使用频率上限无影响。
例如：高温环境非稳态脉动压力测试系统100的连通管道131的长度L＝15mm，连通管道131的直径r＝2mm，测量腔体的体积V＝1.5cm2，测试管道121的管径R＝2mm，反射消除通道的长度为10m、直径为2mm，末端吸声部件150采用三聚氰胺吸声材料，该高温环境非稳态脉动压力测试系统100的使用频率上限为800Hz。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，包括：脉动压力传感器、测试部件、传感器安装底座、反射消除管道和末端吸声部件；
测试部件具有贯通两端的测试管道，并且测试部件还具有与测试管道不连通的循环冷却腔，所述循环冷却腔在周向包围着测试管道；
传感器安装底座与测试管道的外壁连接，脉动压力传感器安装于传感器安装底座的安装槽内，脉动压力传感器的底面与安装槽的底面之间形成体积为V的测量腔体，安装槽的底部具有连通测量腔体与测试管道的连通管道；
反射消除管道的入口与测试管道的出口连通，以削弱或消除在其内传输的脉动压力波，并且反射消除管道的管径与测试管道的管径相等，以避免脉动压力波发生反射；
末端吸声部件与反射消除管道的出口连接，以吸收经在反射消除管道中传播而削弱后的脉动压力波；
脉动压力传感器测得测量脉动压力y(t)，将测量脉动压力y(t)进行傅里叶变换得到Y(∫)＝F{y(t)}，将Y(∫)带入公式x(t)＝F-1{X(∫)}＝F-1{Y(∫)/H(∫)}中，计算得到实际脉动压力x(t)，其中F-1为傅里叶逆变换，X(∫)＝F{x(t)}，H(∫)是传递函数。
2.根据权利要求1所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，测试管道的长度较循环冷却腔的长度长。
3.根据权利要求1或2所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，传感器安装底座与测试部件为一体成型结构。
4.根据权利要求1或2所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，传感器安装座从测试管道的外壁处向外延伸出循环冷却腔的外壁，并且传感器安装底座具有开口位于循环冷却腔的外壁之外的安装槽。
5.根据权利要求1或2所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，还包括：外置冷气循环散热系统，循环冷却腔与外置冷气循环散热系统连通，以向循环冷却腔内输送冷却介质。
6.根据权利要求1或2所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，反射消除通道为柔性等截面金属软管或柔性等截面塑料管。
7.根据权利要求1或2所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，通过连接接头将反射消除管道的入口与测试管道的出口连接，并且连接接头的管径、反射消除管道的管径和测试管道的管径均相等。
8.根据权利要求1或2所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，反射消除管道的长度不小于6m。
9.根据权利要求1或2所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，在常温状态下获得常温下的传递函数H1(∫)，依据常温下的实际脉动压力x1(t)、常温下的测量脉动压力为y1(t)和常温下的传递函数H1(∫)建立有限元模型，将该有限元模型对应的温度调整至高温，得到高温状态下的传递函数H(∫)。
10.根据权利要求1或2所述的高温环境下非稳态脉动压力测试系统，其特征在于，测试系统的使用频率上限小于ωn/5π，其中固有频率
Figure FDA0002504745390000021
r为连通管道的直径、c＝20.04T1/2为气体声速、T为温度、V为测量腔体的体积、L为连通管道的长度。
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