一种适用于高温环境下的流场标定测试装置的制作方法

本发明涉及一种高温环境下的流场标定测试装置，属于飞行器地面燃气流风洞试验技术领域。

背景技术：

随着飞行器飞行马赫数、轨道机动性和在轨飞行时间的不断提高，为了考核和测试飞行器及其部件在高温高速流动条件下的热承载性能，国内外研究机构都在不断发展和提高地面模拟试验技术和能力，以便为新型飞行器热防护系统评价提供技术支持。

地面燃气流风洞是开展高温高速流动测试的测试设备之一，以氧和煤油作为燃料，通过超音速喷管产生高温超音速气流，在试验舱内对装置进行热考核。

在开展正式风洞试验前，需对流场品质及装置绕流情况进行标定，此时需要将测试装置置于试验装置安装位置，获得关键位置的流场测试值以评价流场条件是否满足试验要求。针对燃气流风洞流动条件具有高温高热的特点，要求流场测试装置具有能够长时间承受流体的高温高速冲击，即要求其具有防热或自冷却能力。

现有风洞测试装置存在的局限性主要表现在测试时间短，现有风洞测试时间短，测试装置只需满足短时间的运行需求，而本发明的应用环境、即200MW燃气流风洞运行时间长，达数百秒量级，需要测试和标定风洞流场的流动参数和稳定性，要求测试装置在具有高热载条件下长时间运行的能力。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高温环境下的流场标定测试装置，实现典型结构装置在燃气流风洞高温高速流动条件下，能够长时间承受高热载，完成指定位置的热流和压力测试和标定，为开展燃气流试验提供流场标校数据。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种适用于高温环境下的流场标定测试装置，该装置包括锥套和安装于锥套上的多个热流传感器和压力传感器，其中，

锥套为中空球锥体，锥套内壁半锥角大于锥套外壁的半锥角，锥套顶部球头处锥壁内部以锥轴为中心开有第一集水环，锥壁内部靠近底端处开有第二集水环；锥套的锥壁内部周向沿母线开有多个相互独立的中空水冷槽道，冷却水槽道沿轴向方向设置，截面积保持不变，所有水冷槽道的一端均与第一集水环相连通，另一端均与第二集水环相连通，第一集水环面向锥套内部开有多个进水孔，第二集水环面向锥套内部开有多个出水孔，冷水通过进水管，经第一集水环的进水孔进入球头中空空间，再沿中空水冷槽道汇集到第二集水环内，经第二集水环的出水孔通过出水管流出。

所述热流传感器为水卡式热流传感器，采用中心进水冲击加管路冷却的方式冷却。

所述水冷槽道的面积A为：

A＝(qS)/(vρc_pΔT)

式中，q为最大热流密度、S为测试装置外表面面积、v冷却水平均流速、ρ冷却水密度、c_p冷却水比热容、ΔT为冷却水温降，即冷却水出水口温度与进水口温度之差。

在保持截面积不变的情况下，冷却水槽道沿轴向方向截面形状可变。

所述第一集水环上的进水孔为椭圆形。

其中一个热流传感器安装于锥套球头驻点处、其它热流传感器均布的锥套外壁。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明采用水冷的方式对燃气流条件下的流场测试装置进行热防护，保证测试装置能够用于长时间、高温、大热流的恶劣热环境；

(2)、本发明通过对测试装置内部水冷通道的结构设计，在给定冷却水压力条件下，设计冷却水入水口直径和流速，以保证冷却效果，保证冷却水以一定的流量和流速流经端头、前端舱壁等热环境严酷的区域，满足热防护要求。

(3)、本发明热流传感器采用了水冷结构，降低了传感器本体的温度，使其在高温、大热流条件下长时间工作。

(4)、本发明第一集水环上的进水孔设计为椭圆形，可以节约空间。

(5)、本发明在流场标定测试装置合理布设水卡式热流传感器和耐高温压力传感器，确保测试装置在燃气流高温高速条件下的正常工作，并完成指定位置热流和压力的测量，为燃气流风洞试验提供了流场品质的标校数据。为开展燃气流风洞试验，评价流场品质，提供了可靠的技术保障。

附图说明

图1是本发明实施例流场标定测试装置整体结构示意图；

图2是本发明实施例截面A处水冷槽道和进水口截面图；

图3是本发明实施例截面F处水冷槽道截面图；

图4是本发明实施例流场标定测试装置进水口布置示意图；

图5是本发明实施例流场标定测试装置出水口布置示意图；

图6是本发明实施例截面I处第二集水环和出水口截面图；

图7是本发明实施例流场标定测试装置热流传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1至图6依次给出了一种水冷装置整体结构示意图、水冷槽道截面示意图、冷却水进/出口示意图。如图所示，流场标定测试装置为锥套形式，锥套为中空球锥体，锥套内壁2半锥角大于锥套外壁1的半锥角，锥套顶部球头处以锥轴为中心开有第一集水环，底端内部开有第二集水环；锥套内部周向沿母线开有多个相互独立的中空水冷槽道，冷却水槽道沿轴向变截面设计，冷却水槽截面积保持不变，所有水冷槽道的一端与第一集水环相连通，另一端与第二集水环相连通，第二集水环面向锥套内壁开有多个进水孔，第二集水环面向锥套内壁开有多个出水孔，冷水通过进水管3，经第一集水环的进水孔进入球头中空空间，再沿中空水冷槽道汇集到第二集水环内，经第二集水环的出水孔通过出水管流出；水卡式热流传感器4用于测试热流，其中一个热流传感器位于锥套球头驻点处、其它热流传感器均布的锥套外壁。

采用水卡式热流传感器进行热流测量，水卡热流传感器利用流体流动来测量热流，一定流量的水流过测头，根据水温的变化来计算热流密度。除了整个测试装置使用了水冷却外，另外又单独控制冷却水在测试表面流动达到热平衡。其热流计算公式为：

其中，ρ_w、C_p,w分别为水密度，比热，为冷却水流量，ΔT为冷却水进出口温差，S为加热面积。

图7给出了流场标定测试装置热流传感器结构示意图。热流传感器包括绝热外套21、铜塞22、钢套23、进水管25和出水管24。绝热外套21套在钢套23和铜塞22外部，钢套与铜塞为螺纹连接，管路与钢套以及管路之间的连接方式为焊接，钢套23内部设有一个空腔，进水管25和出水管24均与空腔连通，冷水通过进水管进入到空腔，再通过出水管流出。

流场标定测试装置主体材料可为紫铜，主体各部件之间焊接相连，热流传感器与装置主体螺纹加胶连接，装置主体与安装支架通过底部法兰连接。

保持水冷槽截面积不变，可以保证水冷槽道中冷却水的流动速度，从而保证冷却效果；其中横截面面积A由受热面积、热流密度、冷却水流速、冷却水温降等参数确定，具体公式为：

A＝(qS)/(vρc_pΔT)

式中，q表示最大热流密度、S表示加热面积、v冷却水平均流速、ρ冷却水密度、c_p冷却水比热容、ΔT冷却水温降即冷却水出水口温度与进水口温度之差。

冷却水进水口设置在锥套球头内壁，以较高速的水流冲击球头驻点以达到最优的冷却效果，冷却水经锥面流至球锥底部，由底部出水口排出。

实施例

一种水冷装置为球头半径50mm、半锥角9°、底部直径为260mm的球锥，驻点设计热流值设为20MW/m2，驻点设计热流值为驻点区所能承受的热流值，由风洞流动参数和测试装置几何结构确定，锥面设计热流为10MW/m2，锥面设计热流是指除驻点区之外锥面区域所能承受的热流值，由风洞流动参数和测试装置几何结构确定，压力测量范围为10～2000kPa，热流测量范围为0.3～20MW/m2，测量时间≥100s，冷却水压力≤8atm；冷却水流量≤20kg/s。

为描述清晰定义柱坐标系，以球头驻点为坐标原点，装置轴线为x轴，驻点向底部为x轴正方向，沿x轴正方向顺时针方向间隔90°依次为I、II、III和IV象限。

锥套内部加工冷却水通道，周向均布16个冷却水槽道，冷却水流向沿装置母线。基于装置的球锥外形，锥身直径沿轴向逐渐增大，内外壁半锥角相同的情况下，冷却水通道截面积沿轴向亦逐渐增大，冷却水流速降低，降低冷却效率。为保证冷却水流速不变，对水冷通道进行等截面设计，具体为：保持相邻水冷通道之间的肋厚度不变，装置外壁半锥角为9°、内壁半锥角为9.52°。不同轴向位置横截面结构示意图如图2和图3所示，其中图2为球头附近横截面示意图、图3为冷却水进水口附近横截面示意图。驻点热流密度条件下满足对装置的冷却，要求冷却水流速≥10m/s。

冷却水进水口分别设置在装置球头区域III偏IV45°和I偏II45°位置。为适应球头内部空间、且满足冷却水进水流速要求，冷却水进水管与装置相交截面为椭圆，冷却水进水当量内径20mm。为同时满足冷却水入水流速和空间要求，将冷却水如水管路设计为变截面，即在球头部位如水通道截面设计为椭圆形，如图2所示，锥身区域入水通道截面为圆形。

冷却水出水口设置在装置底部，在距装置底部15mm处开集水环，周向设置8个内径为10mm出水口。

I至IV象限各母线轴向均布4个传感器，传感器轴向间距130mm，距小端最近的传感器距驻点95.5mm。热流传感器安装在I、III象限母线，压力传感器安装在II、IV象限母线。

压力测量采用压力传感器，在被测装置上开测压孔安装压力传感器，测压孔外径为2mm。

球锥水冷装置需安装在水冷支架上，水冷装置底部外径为260mm，水冷支架端面外径为250mm，内锥套底部焊接外径250mm、厚20mm的圆环用作与水冷支架的连接。水冷装置与水冷支架采用周向均布的12个Ф13螺钉连接，螺钉中心线直径为200mm、间隔30°。

经测试，上述流场标定测试装置在20MW/m2热流条件下可以获得可靠的流场压力和热流的测量数据，运行时间不小于100s。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。