CN113551810B - 一种水冷动态热流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水冷动态热流传感器，包括：热流传感器本体，其包括同轴一体设置的传热探头和T型腔体；所述传热探头上穿设有两根对接型热电偶丝；所述T型腔体下端设置有水冷装置。本发明结构新颖，运行稳定，制备工艺难度低，简化了测试水进出水道的设计，便于热流传感器小型化设计；T型腔体在水冷作用下，使得整个热流传感器本体的轴向温度梯度明显增大，提高了轴向温差信噪比，有利于提高后续的热流计算精度。T型腔体尾部采用了冷却效率高的水冷装置，可以实现高热流长时间测试；结合含标定修正的混合动态热流测试方法，既保证了所设计的水冷动态热流传感器测试准度，又提高了其热流测试响应速度，为实现动态高热流长时间测试奠定了基础。

Description

一种水冷动态热流传感器
技术领域
本发明属于高超声速器地面防热试验测试技术领域，具体涉及一种基于混合测热的水冷动态热流传感器。
背景技术
在气动热与热防护试验中，电弧风洞和自由射流电弧加热器试验设备是重要的高超声速飞行器热防护材料与防热结构地面考核与评估的重要地面模拟试验设备。其中，针对连续变参数试验状态调试，热流参数常采用可长时间测试的水卡稳态热流试方法。
目前的水冷动态热流传感器所使用的传统水卡存在一些局限性或缺点,测试用进出水道内部结构复杂，加工与装配难度大，外形尺寸难以小型化；进出测试水温差小，热电偶热电势差信号信噪比低；还涉及测试水稳定流量控制及其精确测量，给多点模型热流校测带来了大量繁琐工作。本发明专利针对上述情况，设计了一种新型结构的水冷动态热流传感器并给出了其热流测试方法。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种水冷动态热流传感器，包括：热流传感器本体，其包括同轴一体设置的传热探头和T型腔体；所述传热探头上穿设有两根对接型热电偶丝；所述T型腔体下端设置有水冷装置。
优选的是，其中，所述热流传感器本体为无氧铜材质，且总长度为25mm；所述热流传感器本体的外壁套设有一层聚四氟乙烯垫片；所述传热探头前后端直径分别为5mm和4mm；所述传热探头前端环绕设置有高度为0.3mm的台阶。
优选的是，其中，所述传热探头上轴向间隔设置有两个径向通孔；两个所述径向通孔包括呈十字分布的径向通孔Ⅰ和径向通孔Ⅱ；所述径向通孔Ⅰ和径向通孔Ⅱ与所述传热探头前端面的距离分别为1.5mm和3.5mm；所述径向通孔Ⅰ和径向通孔Ⅱ的内径为0.2mm。
优选的是，其中，所述热流传感器本体侧壁开设有四条U型槽；四条所述U型槽分别位于两个所述径向通孔的端口下方；两根所述对接型热电偶丝中部的测温接点穿设在两个所述径向通孔的中部，且保持紧密配合；两根所述对接型热电偶丝两端在伸出两个所述径向通孔后被四根直径为1mm的玻璃纤维导管均匀包裹住；四根所述玻璃纤维导管内嵌设置在四条所述U型槽中，且使用陶瓷粘结剂进行固定。
优选的是，其中，所述T型腔体从上至下的外径分别为8mm和14mm；所述T型腔体从上至下的内径分别为5mm和12mm；所述T型腔体中的密封测试水压不小于10个大气压。
优选的是，其中，所述水冷装置包括一个焊接在所述T型腔体下端用于封堵的尾盖；所述尾盖厚度为5mm，直径为14mm；所述尾盖上分别采用硬钎焊密封固定有紫铜材质的进水管和出水管；所述进水管和所述出水管的上端口分别伸入到所述T型腔体的较小端和较大端；所述进水管和出水管的内外径分别为2mm和3mm；所述进水管和出水管的下端口焊接有用于连接快插管接头的M5的非标准螺母。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明结构新颖，运行稳定，具有以下优点：
1.使得热流传感器制备工艺难度降低，避免了复杂的测试水进出水道设计，便于热流传感器小型化设计；
2.热流传感器本体内部的T型腔体在水冷作用下，可使得整个热流传感器本体的轴向温度梯度明显增大，明显提高了轴向温差信噪比，从而提高了后续的热流计算精度；
3.T型腔体尾部采用了冷却效率高的水冷装置，可以实现高热流长时间测试；
4.结合含标定修正的混合动态热流测试方法，既保证了所设计的水冷动态热流传感器测试准度，又提高了其热流测试响应速度，为实现动态高热流长时间测试奠定了基础。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明的总结构正视截面图；
图2为本发明的总结构左视截面图；
图3为本发明的总结构俯视截面图；
图4为本发明的总结构仰视图；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
图1-4示出了本发明的一种实现形式，包括：
热流传感器本体1，其包括同轴一体设置的传热探头11和T型腔体12；所述传热探头11上穿设有两根对接型热电偶丝13；所述T型腔体12下端设置有水冷装置。
工作原理：
在气动热与热防护试验中，热流传感器本体1前端的传热探头11会直接接触到输入热流，此时传热探头11上的两根对接型热电偶丝13获得了两个温度信号，随后，两根对接型热电偶丝2通过外接的延长导线输入到后方的检测设备中进行测试与计算即可获取高温流场环境中的热流数据；同时，在长时间高温热流测试过程中，我们通过水冷装置来对T型腔体12供给一定压力的的循环冷却水，可以防止热流传感器本体1的温升超过许用工作温度。
在这种技术方案中，传热探头11和T型腔体12同轴一体成型，结构简单，装配容易，实现了整个热流传感器结构的小型化，方便与外部的测试支架进行对接安装；使用上小下大的T型腔体12来作为冷却腔，使得热流传感器的整个冷却水道更加简化，对热流传感器本体1的散热效果更好；通过T型腔体12配合水冷装置的作业，可以对来自于热流传感器本体1轴向不同位置的热量进行充分冷却，从而实现了高温热流传感器可长时间工作的需求，同时使得整个热流传感器本体1的轴向温度梯度明显增大，显著提高了轴向温差信噪比，保障了后续热流的计算精度。
在上述技术方案中，所述热流传感器本体1为无氧铜材质，且总长度为25mm；所述热流传感器本体1的外壁套设有一层聚四氟乙烯垫片101；所述传热探头11前后端直径分别为5mm和4mm；所述传热探头11前端环绕设置有高度为0.3mm的台阶102。这样设置的好处是，无氧铜材质传热效率高，且具有很强的耐热性和抗腐蚀性，适合于在高温流场中使用；一层聚四氟乙烯垫片101，可使得热流传感器本体1与外部的封装壳体套接安装时，起到隔热绝缘的作用；传热探头11前端的台阶102，可与外部校测模型的装配孔过渡配合，使得直径为4mm的传热探头11与校测模型之间形成环形空气间隙，保证了其一维传热假设，有利于提供热流测试精确度。
在上述技术方案中，所述传热探头11上轴向间隔设置有两个径向通孔；两个所述径向通孔包括呈十字分布的径向通孔Ⅰ111和径向通孔Ⅱ112；所述径向通孔Ⅰ111和径向通孔Ⅱ112与所述传热探头11前端面的距离分别为1.5mm和3.5mm；所述径向通孔Ⅰ111和径向通孔Ⅱ112的内径为0.2mm。这样设置的好处是，两个径向通孔在传热探头11上轴向间隔且互呈十字分布，为两根对接型热电偶丝13提供了合适的安装穿设空间，保证了所取得检测到的两个温度信号更加稳定，保证后续的测温精度。
在上述技术方案中，热流传感器本体1侧壁开设有四条U型槽；四条所述U型槽分别位于两个所述径向通孔的端口下方；两根所述对接型热电偶丝13中部的测温接点131穿设在两个所述径向通孔的中部，且保持紧密配合；两根所述对接型热电偶丝13两端在伸出两个所述径向通孔后被四根直径为1mm的玻璃纤维导管132均匀包裹住；四根所述玻璃纤维导管132内嵌设置在四条所述U型槽中，且使用陶瓷粘结剂进行固定。这样设置的好处是，两根对接型热电偶丝13的测温接点131在两个径向通孔13中部实现了等温面检测，提高了测温精度；四根玻璃纤维导管132可让两根对接型热电偶丝13在穿出两个径向通孔13后能够保持耐高温性和绝缘性，保证温度信号的稳定传送；四条U型槽和陶瓷粘结剂使得四根玻璃纤维导管132的安装嵌入更加牢固稳定。
在上述技术方案中，所述T型腔体12从上至下的外径分别为8mm和14mm；所述T型腔体12从上至下的内径分别为5mm和12mm；所述T型腔体12中的密封测试水压不小于10个大气压。这样设置的好处是，整个T型腔体12上小下大，一体成型设置在热流传感器本体1内部，在导入不小于10个大气压的冷却水后可以加快热传递，起到更好的冷却效果，以及让整个热流传感器本体1的轴向温度梯度明显增大，确保后续测试精度。
在上述技术方案中，所述水冷装置包括一个焊接在所述T型腔体12下端用于封堵的尾盖141；所述尾盖141厚度为5mm，直径为14mm；所述尾盖141上分别采用硬钎焊密封固定有紫铜材质的进水管142和出水管143；所述进水管142和所述出水管143的上端口分别伸入到所述T型腔体12的较小端和较大端；所述进水管142和出水管143的内外径分别为2mm和3mm；所述进水管142和出水管143的下端口焊接有用于连接快插管接头144的M5的非标准螺母145。这样设置的好处是，尾盖141为整个T型腔体12起到了稳定的密封作用，同时为进水管142和进水管143提供了安装位置和支撑基础；紫铜材质具有很强的耐热性和抗腐蚀性，适合于在高温流场中使用；进水管142和出水管143的上端口分别伸入到了T型腔体12的较小端和较大端，这样使得冷却水能够在T型腔体12内壁从上至下进行流动冷却，最后从T型腔体12较大端排出，提高了冷却效率和给排水效率；快插管接头144配合M5的非标准螺母145可使得进水管142和出水管143的下端口在接入外部输水装置时拆卸更加快捷方便，密封牢靠且连接更加稳定。
实施例1：
在使用本发明时，结合一种含标定修正的混合动态热流测试方法对高温流场进行测试：
步骤一、通过两根对接型热电偶丝12在热流传感器本体1的传热探头11上两个径向通孔的中心位置测试到温度数据信号为T1(k)，T2(k)，采样时间间隔为Δt；
步骤二、径向通孔Ⅱ112的位置至传热探头11前端面为传热控制体；在此基础上，根据能量守恒原则，结合热容吸热和一维热传导，给出一种改进型混合热流测试方法，计算公式如下：
其中，ρ、C、K分别为热流传感器本体1的密度(kg/m3)、比热(J/kg·K)和导热系数(W/m·K)；ΔT1(k)＝T1(k)-T1(k-1)；ΔT2(k)＝T2(k)-T2(k-1)；T1(0)＝T2(0)为初始温度；
步骤三、采用步骤一所测温度数据T1(k)，T2(k)，根据步骤二所给计算公式，计算出时间序列热流值q(k)。考虑到热容响应时间有效时长，设0时刻为输入热流起始时刻，则根据上述计算公式获得有效热流测试启始相对时间为：
其中，α＝k/(ρc)为热扩散系数(m2/s)；
步骤四、考虑到两根对接型热电偶丝12的测温误差和传热探头11端部的0.3mm的台阶102，以及用于内嵌两根对接型热电偶丝12的四条U型槽，导致有效传热通径沿轴向不一致，从而影响热流测试准确度，因此需要在热流传感器标定试验平台进行校准，获得矫正系数cr，即
其中，qc为已知校准热流；q(k)为利用在qc热流输入下的水冷动态热流传感器温度测试数据T1(k)，T2(k)，根据步骤二获得的热流计算值；
步骤五、在电弧风洞或电弧加热器试验现场，用已标定的水冷动态热流传感器进行热流测试，获得热流传感器温度响应T(k)数据，结合步骤二、三、四，测试出高温流场环境中的热流数据qe(k)＝crq(k)。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种水冷动态热流传感器，其特征在于，包括：
热流传感器本体，其包括同轴一体设置的传热探头和T型腔体；所述传热探头上穿设有两根对接型热电偶丝；所述T型腔体下端设置有水冷装置；
所述热流传感器本体为无氧铜材质，且总长度为25mm；所述热流传感器本体的外壁套设有一层聚四氟乙烯垫片；所述传热探头前后端直径分别为5mm和4mm；所述传热探头前端环绕设置有高度为0.3mm的台阶；
所述T型腔体从上至下的外径分别为8mm和14mm；所述T型腔体从上至下的内径分别为5mm和12mm；所述T型腔体中的密封测试水压不小于10个大气压；
所述水冷装置包括一个焊接在所述T型腔体下端用于封堵的尾盖；所述尾盖厚度为5mm，直径为14mm；所述尾盖上分别采用硬钎焊密封固定有紫铜材质的进水管和出水管；所述进水管和所述出水管的上端口分别伸入到所述T型腔体的较小端和较大端；所述进水管和出水管的内外径分别为2mm和3mm；所述进水管和出水管的下端口焊接有用于连接快插管接头的M5的非标准螺母。
2.如权利要求1所述的一种水冷动态热流传感器，其特征在于，所述传热探头上轴向间隔设置有两个径向通孔；两个所述径向通孔包括呈十字分布的径向通孔Ⅰ和径向通孔Ⅱ；所述径向通孔Ⅰ和径向通孔Ⅱ与所述传热探头前端面的距离分别为1.5mm和3.5mm；所述径向通孔Ⅰ和径向通孔Ⅱ的内径为0.2mm。
3.如权利要求2所述的一种水冷动态热流传感器，其特征在于，所述热流传感器本体侧壁开设有四条U型槽；四条所述U型槽分别位于两个所述径向通孔的端口下方；两根所述对接型热电偶丝中部的测温接点穿设在两个所述径向通孔的中部，且保持紧密配合；两根所述对接型热电偶丝两端在伸出两个所述径向通孔后被四根直径为1mm的玻璃纤维导管均匀包裹住；四根所述玻璃纤维导管内嵌设置在四条所述U型槽中，且使用陶瓷粘结剂进行固定。
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