CN112283996A - 一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法及冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法及冷却装置，该方法包括在红外玻璃窗口处设置一个相对于试验段内壁面向外凸的腔室，从外界向内腔室中通入冷空气，使冷空气从红外玻璃一端贴壁流动至另一端，最后汇入试验段内高温高压气流中。从外界向内腔室中通入冷空气，使冷空气从红外玻璃一端贴壁流动至另一端，最后汇入试验段内高温高压气流中。冷空气进入腔室内形成一个低温过渡区，使红外玻璃处于一个温度较低的环境中，因此，本发明方法和装置可以提高高压高温条件下红外观察窗口的测温的精度，广泛应用于航空发动机相关测温试验，安全性和可靠性高。

Description

一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法及冷却装置

技术领域

本发明属于红外玻璃冷却技术领域，具体涉及一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法及冷却装置。

背景技术

红外玻璃广泛应用于民用(如红外测温等)和军事领域(如导弹上的红外制导等)。由于红外玻璃常常处于比较严酷的工作环境，对其光学性能、力学性能、化学性能等都有苛刻的要求。在高温环境中，红外玻璃的力学性能会急速下降，严重影响其在高温条件下的抗热冲击性能；同时还会影响红外玻璃的透射率。因此，在航天飞行器中需要对红外窗口进行冷却。

利用红外成像仪对试验件表面进行测温时，为了保证试验段的封闭性，需要设置红外窗口，即利用红外玻璃将试验段内的环境与外界环境隔离开。在利用试验模拟航空发动机涡轮通道流场时，试验段内是高温高压的流场，此时，对红外玻璃的力学性能和光学性能都有严苛的要求。因此，为了采用红外成像仪进行这类测温试验，必须对红外玻璃进行冷却。

气膜冷却是航天飞行器中红外窗口冷却的一种常用方法，但往往需要喷射冷却剂(如水或液态氨等)。但在进行上述红外测温时，喷水会对测温结果有影响，而液态氨成本较高，不适合长时间的试验测试；而且针对尺寸较小红外玻璃(4～5cm左右)，由于空间较为狭小，不易采用喷射方式冷却。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种简单高效的高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法及冷却装置，解决现有的用于精度较高测量的红外玻璃窗口冷却方法存在的冷却问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法，包括：在红外玻璃窗口处设置一个相对于试验段内壁面向外凸的腔室，从外界向内腔室中通入冷空气，使冷空气从红外玻璃一端贴壁流动至另一端，最后汇入试验段内高温高压气流中。

优选的，所述的冷气总压力为高温高压气流总压力的1～1.05倍。

具体的，所述的腔室包括红外玻璃以及围绕红外玻璃设置的第一侧壁和第二侧壁，其中，第一侧壁垂直于红外玻璃，第二侧壁为沿高温高压气流方向倾斜的倾斜面；第一侧壁和第二侧壁分别与试验段壁面连接；所述的红外玻璃与第一侧壁的连接处设置有供外界冷气进入的进气口。

具体的，所述的进气口的正前方设置有挡流板，挡流板改变冷空气流向，使冷空气沿红外玻璃贴壁流动。

具体的，所述的腔室的深度H＝2.0δ+H₀，

其中，δ为流动边界层厚度，L为红外玻璃沿气流方向的长度，ρ、u和μ分别为高温高压气体的密度、流速和粘性系数；H₀为挡流板厚度。

本发明还公开了一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却装置，该装置包括设置在试验段的腔室和挡流板，所述的腔室相对于试验段内壁面外凸，红外玻璃形成腔室的最外侧壁面；

所述的腔室的上游设置有供外界冷空气进入的进气口，进气口的正前方设置有所述的挡流板，挡流板与红外玻璃并列设置；腔室的下游设置为沿高温高压气流方向倾斜的倾斜面。

具体的，所述的腔室包括红外玻璃以及围绕红外玻璃设置的第一侧壁和第二侧壁，其中，第一侧壁垂直于红外玻璃，第二侧壁为沿高温高压气流方向倾斜的倾斜面；所述的进气口设置在红外玻璃与第一侧壁的连接处。

进一步的，所述的进气口连接有进气管，进气管上设置有压力阀和流量计。

具体的，所述的腔室的深度H＝2.0δ+H₀，

其中，δ为流动边界层厚度，L为红外玻璃沿气流方向的长度，ρ、u和μ分别为高温高压气体的密度、流速和粘性系数；H₀为挡流板厚度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过在红外玻璃窗口处设置一个腔室，冷空气进入腔室内形成一个低温过渡区，使红外玻璃处于一个温度较低的环境中，如主流温度为1200℃左右时，红外玻璃内表面温度大约为300℃左右；并且低温过渡区大部分在腔室内，冷气对主流观测区造成的影响不大。因此，本发明方法和装置可以提高高压高温条件下红外观察窗口的测温的精度，广泛应用于航空发动机相关测温试验，安全性和可靠性高。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例记载的红外玻璃窗口冷却装置示意图。

图2是本发明实施例记载的试验段内及红外玻璃窗口处的温度分布模拟结果图。

图中各标号表示为：

1-腔室，2-试验段壁面，3-进气管，4-压力阀，5-流量计，6-低温过渡区，7-高温高压主流区，8-挡流板；

101-红外玻璃，102-第一侧壁，103-第二侧壁，104-进气口。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明中，在试验设备的试验段内为高温高压气流，通过在试验段上设置一个红外窗口，将试验段内的环境与外界环境隔离开，方便红外成像仪对试验件表面进行测温。

本发明中，腔室的上游和下游分别是以试验段内高温气流的流动方向来定义的。

以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

实施例1

本实施例公开了一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法，该方法包括：在红外玻璃窗口处设置一个相对于试验段内壁面向外凸的腔室1，从外界向内腔室1中通入冷空气，使冷空气从红外玻璃101一端贴壁流动至另一端，最后汇入试验段内高温高压气流中。冷气流向如图1中虚线箭头指向所示。

因为冷空气的气流温度较低，在进入腔室1时，根据流体力学边界层理论，会在腔室1内形成温度边界层，即低温过渡区6，此温度边界层在其外表面(即与高温高压主流区7接触面)具有与主流温度相当的温度，但向内温度逐渐减少，从而在红外玻璃表面具有较低温度。

其中，冷气总压力等于或略大于试验段内高温高压气流的总压力，具体的，冷气总压力为高温高压气流总压力的1～1.05倍。

为了使冷气更加顺畅地进入主流，避免在腔室内形成较大回流区降低冷却效率，在腔室1的下游设置为沿高温高压气流方向倾斜的倾斜面。

具体的，本实施例的腔室1包括红外玻璃101以及围绕红外玻璃设置的第一侧壁102和第二侧壁103，其中，第一侧壁102垂直于红外玻璃101，第二侧壁103为沿高温高压气流方向倾斜的倾斜面。在红外玻璃101与第一侧壁102的连接处设置有进气口104，进气口104设置在红外玻璃101的边缘处，进气方向垂直于红外玻璃。本实施例通过在冷气进气口104正前方设置一个挡流板8，挡流板8可以改变冷气的流动方向，使冷空气沿红外玻璃101贴壁流动。具体的，挡流板8焊接在试验段壁面侧部或者与试验段壁面一体化加工而成。

本实施例中腔室的深度H可根据流动边界层厚度δ以及挡流板8的厚度H₀(如图1)进行确认，即H＝2.0δ+H₀；其中，

式中L为红外玻璃沿流向的长度，ρ、u和μ分别是高温高压主流区域气体的密度、流速和粘性系数。H₀一般可取为2～3mm。

图2所示为本实施例的红外玻璃窗口附近温度分布模拟图，从图中可以看出，红外玻璃表面的温度较低，而且由于持续供给冷气，低温过渡区将会较稳定，从而使得红外玻璃能够较长时间地进行工作。

实施例2

本实施例公开了一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却装置，如图1所示，该装置包括设置在试验段的腔室1和挡流板8，腔室1相对于试验段内壁面2外凸，红外玻璃101形成腔室1的最外侧壁面。腔室1的上游设置有供外界冷空气进入的进气口104，腔室1的下游设置为沿高温高压主流区7气流方向倾斜的倾斜面。

挡流板8设置在进气口104的正前方，挡流板与红外玻璃101并列设置，即挡流板8与红外玻璃平行，用于改变冷气气流方向。具体的，挡流板8略大于进气口大小，挡流板焊接在试验段壁面侧部或者与试验段壁面一体化加工而成。

当腔室1中通入冷气后，在腔室1内形成一个低温过渡区6，这样使红外玻璃101处于一个温度较低的工作环境，而且空气透射率比较高，此低温过渡区对红外测温影响较低，从而能够确保采用红外成像仪较长时间地、高精度地对试验件表面温度进行测量，提高红外测温的精度。

腔室1下游采用倾斜面，这样使得冷气更加顺畅地进入高温高压主流区7，避免在腔室内形成较大回流区降低冷却效率。

具体的，本实施例的腔室1包括红外玻璃101以及围绕红外玻璃设置的第一侧壁102和第二侧壁103，其中，第一侧壁102垂直于红外玻璃101，第二侧壁103为沿高温高压气流方向倾斜的倾斜面；进气口104设置在红外玻璃101与第一侧壁102的连接处。

本实施例中腔室的深度H计算与实施例1相同。

本实施例的腔室的整体形状优选方形。

本实施例的进气口104连接有进气管3，用于通入冷气进气管3上设置有压力阀4和流量计5。可根据不同工况调节压力阀4以及冷气流量，在对高温高压主流区影响较小的情况下，提高冷却效率。

实施例3

本实施例给出一种采用实施例1装置对高温环境中红外玻璃窗口进行冷却的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，打开冷气，调节压力阀4，使冷气总压力略大于主流总压力；将冷气流量调大，并持续一段时间；

步骤2，打开主流设备，在试验段形成高温高压主流；缓慢调低冷气流量，使得红外玻璃处于较低温度环境；

步骤3，利用红外成像仪测量试验件表面温度，或进行其他观测；

步骤4，关闭主流设备，并持续一段时间；

步骤5，关闭冷气压力阀4以及流量阀5。

通过具体试验测试发现，当主流温度在1500K左右，冷气温度在300K(即环境温度)左右时，红外玻璃外表面的温度长时间(约15分钟)维持在475K以下。

在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法，其特征在于，包括：在红外玻璃窗口处设置一个相对于试验段内壁面向外凸的腔室(1)，从外界向内腔室(1)中通入冷空气，使冷空气从红外玻璃(101)一端贴壁流动至另一端，最后汇入试验段内高温高压气流中。

2.如权利要求1所述的高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法，其特征在于，所述的冷气总压力为高温高压气流总压力的1～1.05倍。

3.如权利要求1所述的高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法，其特征在于，所述的腔室(1)包括红外玻璃(101)以及围绕红外玻璃(101)设置的第一侧壁(102)和第二侧壁(103)，其中，第一侧壁(102)垂直于红外玻璃(101)，第二侧壁(103)为沿高温高压气流方向倾斜的倾斜面；第一侧壁(102)和第二侧壁(103)分别与试验段壁面(2)连接；所述的红外玻璃(101)与第一侧壁(102)的连接处设置有供外界冷气进入的进气口(104)。

4.如权利要求3所述的高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法，其特征在于，所述的进气口(104)的正前方设置有挡流板(8)，挡流板(8)改变冷空气流向，使冷空气沿红外玻璃(101)贴壁流动。

5.如权利要求1或3所述的高温环境中红外玻璃窗口的冷却方法，其特征在于，所述的腔室(1)的深度H＝2.0δ+H₀，

其中，δ为流动边界层厚度，L为红外玻璃沿气流方向的长度，ρ、u和μ分别为高温高压气体的密度、流速和粘性系数；H₀为挡流板的厚度。

6.一种高温环境中红外玻璃窗口的冷却装置，其特征在于，包括设置在试验段的腔室(1)和挡流板(8)，所述的腔室(1)相对于试验段内壁面(2)外凸，红外玻璃(101)形成腔室(1)的最外侧壁面；

所述的腔室(1)的上游设置有供外界冷空气进入的进气口(104)，进气口(104)的正前方设置有所述的挡流板(8)，挡流板(8)与红外玻璃(101)并列设置；腔室(1)的下游设置为沿高温高压气流方向倾斜的倾斜面。

7.如权利要求6所述的高温环境中红外玻璃窗口的冷却装置，其特征在于，所述的腔室(1)包括红外玻璃(101)以及围绕红外玻璃设置的第一侧壁(102)和第二侧壁(103)，其中，第一侧壁(102)垂直于红外玻璃(101)，第二侧壁(103)为沿高温高压气流方向倾斜的倾斜面；所述的进气口(104)设置在红外玻璃(101)与第一侧壁(102)的连接处。

8.如权利要求6或7所述的高温环境中红外玻璃窗口的冷却装置，其特征在于，所述的进气口(104)连接有进气管(3)，进气管(3)上设置有压力阀(4)和流量计(5)。

9.如权利要求1所述的高温环境中红外玻璃窗口的冷却装置，其特征在于，所述的腔室(1)的深度H＝2.0δ+H₀，

其中，δ为流动边界层厚度，L为红外玻璃沿气流方向的长度，ρ、u和μ分别为高温高压气体的密度、流速和粘性系数；H₀为挡流板厚度。

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