CN114112288A - 电弧风洞喷管焓降测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了电弧风洞喷管焓降测量装置及测量方法，涉及电弧风洞热防护材料地面考核试验技术领域，包括电弧加热器，电弧加热器具有喷管，喷管的内壁沿周向不同区域的设有绝热部和冷却部，喷管的出口外设有可移动位置的试验模型，试验模型的一侧设有测温装置；本发明通过在电弧加热器的喷管内设置绝热部，可以将喷管特制为单侧壁绝热喷管，通过测温装置对试验模型表面在喷管冷却部及绝热部出口处的不同气流焓值进行对比测试试验，定量测量喷管焓降，量化喷管焓降程度，满足了电弧风洞中流场总焓测量技术方面的要求。
Description
技术领域
本发明涉及电弧风洞热防护材料地面考核试验技术领域，尤其是涉及电弧风洞喷管焓降测量装置及测量方法。
背景技术
飞行器在大气中以高超声速飞行时，头部会形成强激波，波后气体会被压缩至高温高压状态，对飞行器进行源源不断的气动加热作用，因此热防护系统的可靠性变得尤为重要。由于飞行试验成本过高，高超声速飞行器热防护材料的筛选及考核通常在地面高焓设备中进行，电弧风洞通过电弧加热器产生高温高压气流，能够长时间稳定运行，可以来模拟飞行试验状态，是防热材料地面烧蚀考核的主力设备。在电弧风洞中模拟飞行器高温气流环境时，气流总焓是关键模拟参数之一，气流总焓是指单位质量的常温气体在加热后获得的总能量，对防热材料的烧蚀性能具有重要影响作用，需要进行准确有效的模拟。
在电弧风洞长时间地面防热试验考核中，由于气体的高温流动和运行时间长，喷管均需要水冷以防止烧损，以提高喷管的使用寿命。由于水冷壁面带走了高温气流的部分能量，会使到达试验模型的气流焓值出现一定程度的损失，即所谓的焓降问题，这对试验气流焓值的模拟精度产生了不利影响。因此，十分有必要对喷管的焓降程度进行准确有效的定量测量。
发明内容
本发明的目的在于提供电弧风洞喷管焓降测量装置及测量方法，能够定量测量喷管焓降程度，满足电弧风洞中流场总焓测量技术方面的要求；
本发明提供电弧风洞喷管焓降测量装置，包括电弧加热器，所述电弧加热器具有喷管，所述喷管的内壁沿周向不同区域的设有绝热部和冷却部，所述喷管的出口外设有可移动位置的试验模型，所述试验模型的一侧设有测温装置。
进一步地，还包括试验舱和真空系统，所述喷管的出口位于所述试验舱内，所述试验模型位于所述试验舱内试验气流的下游，所述真空系统与所述试验舱连通。
进一步地，所述喷管的内壁截面为矩形，所述绝热部为至少覆盖所述喷管内一壁面的绝热侧板，所述冷却部为至少覆盖所述喷管内一壁面的水冷壁面。
进一步地，所述喷管的出口处设有水冷模型支架，所述试验模型位于所述水冷模型支架内。
进一步地，所述试验舱内设有送进机构，所述送进机构控制所述水冷模型支架移动到所述喷管出口的所述绝热侧板一侧或所述水冷壁面一侧。
进一步地，所述测温装置为红外高温计，所述红外高温计位于所述试验舱外并测量所述试验模型的温度。
进一步地，所述绝热侧板上连接有温度监测线。
进一步地，所述绝热侧板的材料为耐高温非烧蚀材料。
进一步地，所述电弧加热器为低焓管式电弧加热器、中焓分段电弧加热器或高焓叠片电弧加热器。
本发明还提供电弧风洞喷管焓降测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1，测温装置分别测量试验模型位于喷管绝热部一侧的表面温度值和位于喷管冷却部一侧的表面温度值；
S2，对两温度值分别进行计算后得到试验模型表面的气流焓值；
S3，通过对比两气流焓值定量测量喷管焓降。
本发明的技术方案通过在电弧加热器的喷管内设置绝热部，可以将喷管特制为单侧壁绝热喷管，通过测温装置对试验模型表面在喷管冷却部及绝热部出口处的不同气流焓值进行对比测试试验，定量测量喷管焓降，量化喷管焓降程度，满足了电弧风洞中流场总焓测量技术方面的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的测量装置的结构示意图；
图2为本发明的测量方法的流程示意图；
附图标记说明：
1-电弧加热器、2-喷管、3-试验模型、4-试验舱、5-真空系统、6-绝热侧板、7-水冷壁面、8-水冷模型支架、9-送进机构、10-红外高温计、11-温度监测线、12-计算机系统；
具体实施方式
下面将结合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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、" 水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等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，而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。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、 "第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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。
实施例1
如图1所示，本发明提供的电弧风洞喷管焓降测量装置，包括电弧加热器1，电弧加热器1具有喷管2，喷管2的内壁沿周向不同区域的设有绝热部和冷却部，喷管2的出口外设有可移动位置的试验模型3，试验模型3 的一侧设有测温装置。
具体的，电弧加热器1通过正负电极之间击穿放电产生电弧，对充入内部的高压气体介质进行加热，高温高压气体通过喷管2进行膨胀加速，在出口形成超声速试验气流；试验模型3在试验气流内，模拟飞行器的飞行状态，具体为平板外形，尺寸为L1mm×L2mm，L1＝50～400，L2＝50～400，材料为耐温非烧蚀材料，例如具体为SIC材料，可以在电弧风洞高温气流中进行长时间t1考核，t1≥1000s，并保持材料表面性能稳定；出于保护喷管2的目的，在喷管2内壁设有用于冷却喷管2的冷却部，冷却部主要便于热传导，例如水冷结构、风冷结构或导热效果好的膜层等，与冷却部相对一侧的位置设置绝热部，一方面可以减小高温气流的热量流失，提高试验准确度，另一方面可以长时间适应电弧风洞高温流场环境，多次重复使用后表面性能保持稳定；当试验模型3位于试验气流场中，测温装置会测得试验模型3的表面温度值，将该温度值通过能量平衡方程经计算可以得到气流焓值(该计算过程属于本领域技术人员公知，不再赘述)，移动试验模型3在喷管2出口的两侧位置，在相同的上游试验条件下，分别测量喷管2绝热部和冷却部条件下到达试验模型3表面的气流焓值，通过对比试验可以定量测量喷管2焓降的程度。
如图1所示，还包括试验舱4和真空系统5，喷管2的出口位于试验舱 4内，试验模型3位于试验舱4内试验气流的下游，真空系统5与试验舱4 连通。具体的，试验舱4为密封舱，喷管2和真空系统5均贯穿插入试验舱4内，且与试验舱4的连接处密封，试验模型3位于喷管2的出口和真空系统5的入口之间，真空系统5将喷管2喷出的试验气流同步抽出，保持试验舱4内部的压力稳定，喷管2、试验模型3和真空系统5位于同一直线上，便于真空系统5及时调整真空度，通过试验舱4内的不同真空度模拟飞行器不同飞行高度时所处压力条件。
如图1所示，喷管2的内壁截面为矩形，绝热部为至少覆盖喷管2内一壁面的绝热侧板6，冷却部为至少覆盖喷管2内一壁面的水冷壁面7。具体的，喷管2为二维矩形喷管2，整体为单侧绝热结构设计，其中三个壁面为打孔水冷结构(水冷壁面7)，另一个壁面为耐高温非水冷结构(绝热侧板6)，以适应电弧风洞高温流场环境。
如图1所示，喷管2的出口处设有水冷模型支架8，试验模型3位于水冷模型支架8内。具体的，水冷模型支架8夹持试验模型3并防止试验模型3被烧坏，采用水冷结构设计，水冷压力1～3Mpa，可以在电弧风洞高温流场中长时间t2停留，t2≥3000s。
如图1所示，试验舱4内设有送进机构9，送进机构9控制水冷模型支架8移动到喷管2出口的绝热侧板6一侧或水冷壁面7一侧。具体的，送进机构9为气动送进机构9(气动伸缩装置，如伸缩气缸)，除了改变通过控制水冷模型支架8以改变试验模型3在流场中的位置，还用于调整水冷模型支架8与喷管2的角度，可以模拟不同的飞行攻角。
如图1所示，测温装置为红外高温计10，红外高温计10位于试验舱4 外并测量试验模型3的温度。具体的，在试验舱4上设有观察窗，红外高温计10的测温射线透过观察窗对试验模型3中心位置的表面温度进行测量，观察窗上设有特别适配的定制特种玻璃，试验过程中，根据定制特种玻璃的参数对红外高温计106的数据做相应修正；红外高温计10具体可以为单色红外高温计10，光谱响应1.6μm，量程为250℃～1400℃，精度达 1％F.S(满量程)，也可以为双色红外高温计10，均为现有商品，可以通过线上或线下渠道得到，不再赘述其结构。
如图1所示，绝热侧板6上连接有温度监测线11。具体的，温度监测线11布置在绝热侧板6背面监测温度变化，获得喷管2在绝热壁面条件下长时间运行的温升情况，温度监测线11为K型热电偶，温度测量范围为 1～1200℃，测量精度≤0.4％，可以适应电弧风洞高温测试环境；另外，温度监测线11远离绝热侧板6的一端通过电子调节器上或显示仪表等中间装置与计算机系统12连接，以通过计算机系统12进行及时的温度数据提醒和记录；且红外高温计10的输出端口也可以与计算机系统12连接，通过计算机系统12处理其温度数据，更快速准确的得到气流焓值并记录。
绝热侧板6的材料为耐高温非烧蚀材料。具体的，绝热侧板6按照喷管2扩张型线加工外形，材料为耐高温非烧蚀材料，在电弧风洞低焓工况下可以选择高温合金，耐温上限为1100℃，在高焓工况下可以选择SIC材料，耐温上限为1900℃。
电弧加热器1为低焓管式电弧加热器、中焓分段电弧加热器或高焓叠片电弧加热器。具体的，电弧加热器1是模拟超高速飞行时高温气流的重要设备，为现有技术内容，此处不再赘述其具体结构，例如可以参考公开号(CN209517554U)，专利名称(一种高压高焓电弧加热器)。
实施例2
如图1和图2所示，本发明还提供通过电弧风洞喷管焓降测量装置测量焓降的测量方法，包括以下步骤：
S1，测温装置分别测量试验模型3位于喷管2绝热部一侧的表面温度值和位于喷管2冷却部一侧的表面温度值；S2，对两温度值分别进行计算后得到试验模型3表面的气流焓值；S3，通过对比两气流焓值定量测量喷管2焓降。
具体的，由于喷管2内冷却部和绝热部的存在，当试验模型3位于冷却部的流场中和位于绝热部的流场中，其表面温度值会有不同，将该两类温度值通过能量平衡方程经计算后得到试验模型3表面的两类气流焓值，进而可以定量比对出喷管2焓降的程度。
本发明的工作原理：
电弧加热器1通过正负电极之间击穿放电产生电弧，对充入内部的高压气体介质进行加热，通过调节高压电参数和高压气体流量可以模拟不同的加热环境。高温高压气体通过喷管2进行膨胀加速，在出口形成超声速试验气流，通过改变喷管2的出口与喉道面积比，可以调整出口试验气流参数。绝热侧板6安装在喷管2的一面内侧壁，喷管2可以实现一个侧壁为非水冷绝热结构，另一侧壁为常规水冷结构，温度监测线11布置在绝热侧板6背面监测温度变化，获得喷管2在绝热壁面条件下长时间运行的温升情况。水冷模型支架8安装在超声速试验气流下游位置，试验模型3安装在水冷模型支架8内，通过红外高温计10测量试验模型3中心位置的表面温度，通过能量平衡方程经计算后得到试验模型3表面的气流焓值。变换水冷模型支架8及试验模型3在喷管2出口的两侧位置，在相同的上游试验条件下，分别测量喷管2绝热壁面和水冷壁面7条件下到达试验模型3 表面的气流焓值，通过对比试验可以定量测量喷管2水冷焓降的程度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (10)
1.电弧风洞喷管焓降测量装置，包括电弧加热器，其特征在于，所述电弧加热器具有喷管，所述喷管的内壁沿周向不同区域的设有绝热部和冷却部，所述喷管的出口外设有可移动位置的试验模型，所述试验模型的一侧设有测温装置。
2.根据权利要求1所述的电弧风洞喷管焓降测量装置，其特征在于，还包括试验舱和真空系统，所述喷管的出口位于所述试验舱内，所述试验模型位于所述试验舱内试验气流的下游，所述真空系统与所述试验舱连通。
3.根据权利要求2所述的电弧风洞喷管焓降测量装置，其特征在于，所述喷管的内壁截面为矩形，所述绝热部为至少覆盖所述喷管内一壁面的绝热侧板，所述冷却部为至少覆盖所述喷管内一壁面的水冷壁面。
4.根据权利要求3所述的电弧风洞喷管焓降测量装置，其特征在于，所述喷管的出口处设有水冷模型支架，所述试验模型位于所述水冷模型支架内。
5.根据权利要求4所述的电弧风洞喷管焓降测量装置，其特征在于，所述试验舱内设有送进机构，所述送进机构控制所述水冷模型支架移动到所述喷管出口的所述绝热侧板一侧或所述水冷壁面一侧。
6.根据权利要求2所述的电弧风洞喷管焓降测量装置，其特征在于，所述测温装置为红外高温计，所述红外高温计位于所述试验舱外并测量所述试验模型的温度。
7.根据权利要求3所述的电弧风洞喷管焓降测量装置，其特征在于，所述绝热侧板上连接有温度监测线。
8.根据权利要求3所述的电弧风洞喷管焓降测量装置，其特征在于，所述绝热侧板的材料为耐高温非烧蚀材料。
9.根据权利要求1所述的电弧风洞喷管焓降测量装置，其特征在于，所述电弧加热器为低焓管式电弧加热器、中焓分段电弧加热器或高焓叠片电弧加热器。
10.使用权利要求1-9任一所述的电弧风洞喷管焓降测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，测温装置分别测量试验模型位于喷管绝热部一侧的表面温度值和位于喷管冷却部一侧的表面温度值；
S2，对两温度值分别进行计算后得到试验模型表面的气流焓值；
S3，通过对比两气流焓值定量测量喷管焓降。
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| 隆永胜;杨远剑;袁竭;赵顺洪;: "电弧风洞半椭圆喷管流场测试分析", 科学技术与工程, no. 01, 8 January 2016 (2016-01-08), pages 147 - 150 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114563158A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-05-31 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种激波风洞污染组分可控添加装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114112288B (zh) | 2024-04-09 |
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