一种长时间持续测量高热流密度的热流计的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种长时间持续测量高热流密度的热流计，包括高热流密度探头和相变热沉。其特征为高密度热流通过热流探头流入金属芯内，在与金属芯相连的金属片上平均成较小密度的均匀热流，该均匀热流一部分通过与相变复和材料相连的金属芯导热，一部分通过相变复合材料自身相变过程的潜热变化来储存。该发明能够实现高热流密度的长时间持续测量，在热流密度为1MW.m-2的情况下，能够持续测量2000s。
【专利说明】一种长时间持续测量高热流密度的热流计
【技术领域】
[0001]本发明涉及高热流密度测量的【技术领域】，具体涉及一种长时间持续测量高热流密度的热流计。
【背景技术】
[0002]如今，热流检测的理论和技术越来越受到重视，测量热流用的传感器一热流测头及热流计的研究和使用也更加广泛。
[0003]对于在飞行器等航空航天领域的热流测试中，飞行状态下的高焓热流因其严苛的气动加热环境，使得传统热流计很难完成热流的长时间持续测量工作。《实验流体力学》(Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012，Vol.26，93-99)介绍了一套水冷热流/壁温一体化测量技术，从Gardon热流计的原理出发，对其采用水冷却设计，可以完成最大可测热流为2MWm2以上的长时间稳定测量。但是，燃烧室中煤油开始燃烧到结束整个过程持续不到50s，且燃烧室壁温通常可达2000-3000K，使得该改进热流计在2000s持续测量的环境下是很难达到的。
[0004]《导弹与航天运载技术》(Missilesand Space Vehicles, 2012，N0.6，53-56)介绍了基于热电堆原理的垂直测量大功率热流的传感器研制方案，实现对弹体侧壁的热流输入测量。这种方式可以充分减小端头面积，从而减少总热量输入，实现长时间的有效测量。结构中采用铜热沉依靠自身的热容吸收入射热量，以及采用隔热结构减小漏热。该热流计在入射热流和温度分别为8MWm2，1200°C时，可以正常工作1200s。但是由于铜的热容小，完成上述要求所需的质量大，使得用于热沉结构改进的热流计过于笨重，与传感器设计的轻质化要求相违背，必须结合热力学仿真，选择大小合适的热沉结构。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种能够使热流计完成长时间持续测量高密度热流的改进方案。
[0006]本发明采用的技术方案为:一种长时间持续测量高热流密度的热流计，包括:高热流密度探头和相变热沉，所述高热流密度探头置于相变热沉之上；
[0007]所述相变热沉包括金属片和相变复合材料层，金属片置于相变复合材料层之上，上述高热流密度探头置于金属片之上。
[0008]其中，所述相变复合材料层为相变材料与高导热蜂窝材料或高导热泡沫材料复合而成，高导热蜂窝材料为金属蜂窝材料或碳蜂窝材料，高导热泡沫材料包括金属泡沫材料或碳蜂窝材料。
[0009]其中，可在相变复合材料层中加入金属芯，金属芯与金属片相连。
[0010]其中，可在高热流密度探头和相变热沉间加入金属芯。
[0011]其中，所述高热流密度探头为圆箔式热流计探头，薄膜式热流计探头或热阻式热流传感器等。
[0012]其中，所述金属片、金属芯、金属芯材料为铜、铝或银等高导热金属材料。[0013]本发明的优点为:
[0014](I)、该热流计可以完成高热流密度长时间稳定的测量；
[0015]( 2 )、符合设计的轻质化要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明一种长时间持续测量高热流密度的热流计的剖面原理图；
[0017]图2为本发明一种长时间持续测量高热流密度的热流计上下表面温度随时间的变化(实施例1);
[0018]图3为本发明一种长时间持续测量高热流密度的热流计热流密度随时间的变化(实施例1)；
[0019]图4为本发明一种长时间持续测量高热流密度的热流计上下表面温度随时间的变化(实施例2)；
[0020]图5本发明一种长时间持续测量高热流密度的热流计热流密度随时间的变化(实施例2)。
【具体实施方式】
[0021]实施例1，长时间持续测量高热流密度的热流计方案一
[0022]一种长时间测量高热流密度的热流计如图1示，包括:高热流密度探头A和相变热沉B。所述相变热沉B包括金属片BI和相变复合材料层B2，金属片BI置于相变复合材料层B2之上，上述高热流密度探头A置于金属片BI之上。其中，所述相变复合材料层B2为相变材料与高导热蜂窝材料或高导热泡沫材料复合而成，该实施例中利用相变材料石蜡填充于高导热碳蜂窝材料中复合而成。该相变复合材料既充分利用了石蜡的高相变潜热值，又大大提高了石蜡自身的热导率。同时在高热流密度探头A和相变热沉B间加入金属芯B4。该实施例中金属片B1、金属芯B3及金属芯B4均选用铜作为金属材料，充分利用了铜的高导热特性。当高密度热流通过热流探头A流入金属芯B4后，由于金属芯的热导率很高，高密度热流在金属片BI表面上迅速扩散，使得流入相变复合材料层B2中的高密度热流为均匀的较小密度的热流。在长时间持续测量的情况下，热量不断在相变复合材料层中储存，温度不断升高。达到相变材料的相变温度时，相变材料开始熔化，热量以潜热的形式储存在相变材料中，相变材料的相变潜热越大，能量储存效果越好。且在相变过程中，相变热沉温度升高的较缓慢，持续时间较长。当相变材料完全相变结束后，温度继续升高且速度加快。该系统充分利用了金属的高导热率特性，使得热量能够快速传入，同时既利用了相变材料在相变过程中良好的潜热储能特性，又利用了高导热碳蜂窝材料来克服相变材料自身导热率低的缺点，从而使得该装置能够完成高密度热流长时间稳定的测量。
[0023]具体实施过程中如图1示，在本发明中金属采用铜来进行模拟，以下金属均是铜材料。与高热流密度探头A相连的金属芯B4直径为IOmm较小，目的减小总热量输入，高度5mm。本发明模拟的环境是持续测量lMW.nT2的大热流2000s，金属片BI的作用为使通过高热流密度探头A传入的小表面大热流在金属片BI表面平均成大表面的较小热流，使得热流可以大面积均匀传入相变复合材料层B2中。金属片BI尺寸为直径100mm，厚度3mm。处于相变复合材料层B2中的金属芯B3，其作用是增强导热，直径10mm，高度62mm。金属片B1、金属芯B3及金属芯B4的质量共为0.25Kg。该相变复合材料层B2采用石蜡填充高导热的碳蜂窝材料复合而成，相变复合材料层尺寸为直径100mm，高度62mm，相变复合材料质量
0.57Kg，外围均为绝热装置。该热流计在热流密度为1MW.m-2，持续测量2000s时，热流计表面最高温度达到450K，而相变复合材料层B2的整体温度在400K左右。
[0024]图2为本发明一种长时间持续测量高热流密度的热流计上下表面温度随时间的变化；该图模拟所用高热流密度探头为一般的热阻式热流探头，采用Imm的康铜片热阻层进行模拟计算，结果表明，在测量高密度热流的情况下，如本图模拟1MW.m-2，热流测头上下表面温差达到几十开，最高温度达到450开。
[0025]图3为模拟温度场的热流随时间变化曲线。图3中虚线表示设定的实际热流，实线代表由通过数值计算所得的温度场模拟的热流，两者对比发现计算热流较实际热流仍有
一定误差，但误差较小。
[0026]实施例2，长时间持续测量高热流密度的热流计方案二
[0027]该情况的实施过程与实施例1相同，只是将实施例1中高热流密度探头A的热阻式热流探头改为薄膜式热流计探头，该瞬态薄膜式热流计探头取直径为1Omm厚度为Ium的SiO2热阻层，热阻层两侧镀上热电堆，基片材料为厚度Imm的Si02。由模拟结果可知，与实施例I中的热阻式热流探头对比，该薄膜式热流计探头的温度场有明显的变化，因为SiO2的热导率较小，使得在SiO2基片层的上下表面温差很大，达到几百开，且热流计表面最高温度达到1130开 。但对于相变复合材料层B2的整体温度影响不大，仍在400K左右。因为热流探头的热阻层变薄，使得厚度为Ium的SiO2热阻层上下表面温差减小，且响应时间减小，热流测量更为准确。图4为本发明一种长时间持续测量高热流密度的热流计上下表面温度随时间的变化；结果表明，在测量高密度热流的情况下，如本图模拟lMW.nT2，热流测头上下表面温差不大，只有几开。
[0028]图5为模拟温度场的热流随时间变化曲线。图5中虚线表示设定的实际热流，实线代表由通过数值计算所得的温度场模拟的热流，两者对比发现实际热流与计算热流基本相同，误差很小。
[0029]实施例3，长时间持续测量高热流密度的热流计方案三
[0030]该情况的实施过程与实施例1相同，只是不考虑相变复合材料层B2中的金属芯B3结构，模拟结果相对于实施例1而言稍有改善，热流计的表面温度相对较低，但差别不大，故该部分金属芯B3在本发明中并不是必要存在的。
[0031]实施例4，长时间持续测量高热流密度的热流计方案四
[0032]该情况的实施过程与实施例1相同，只是相变复合材料层B2中的相变材料由石蜡改为二十八烷，由于相变材料取二十八烷后的相变复合材料B2的相变潜热值略大于实施例I中填充石蜡的情况，而比热容及密度则略小。相变潜热值大说明该方案以潜热形式储存的能量增大，而比热容小说明以显热形式储存热量时，当实施例1中方案与本实施例方案温升相同时，本方案以显热形式储存的能量较小。而通过对数据的分析可知潜热与显热的一增一减变化，使得2000s后该方案的整体温度与实施例1中方案所述的整体温度相差不大，且温度分布一致。
【权利要求】
1.一种长时间持续测量高热流密度的热流计，包括:高热流密度探头(A)和相变热沉(B)，其特征在于:所述高热流密度探头(A)置于相变热沉(B)之上； 所述相变热沉(B)包括金属片(BI)和相变复合材料层(B2)，金属片(BI)置于相变复合材料层(B2)之上，上述高热流密度探头(A)置于金属片(BI)之上。
2.根据权利要求1所述的一种长时间持续测量高热流密度的热流计，其特征在于:所述相变复合材料层(B2)为相变材料与高导热蜂窝材料或高导热泡沫材料复合而成，高导热蜂窝材料为金属蜂窝材料或碳蜂窝材料，高导热泡沫材料包括金属泡沫材料或碳蜂窝材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种长时间持续测量高热流密度的热流计，其特征在于:可在相变复合材料层(B2)中加入金属芯(B3),金属芯(B3)与金属片(BI)相连。
4.根据权利要求1或2所述的一种长时间持续测量高热流密度的热流计，其特征在于:可在高热流密度探头(A)和相变热沉(B)间加入金属芯(B4)。
5.根据权利要求1所述的一种长时间持续测量高热流密度的热流计，其特征在于:所述高热流密度探头(A)为圆箔式热流计探头、薄膜式热流计探头或热阻式热流传感器。
6.根据权利要求4所述的一种长时间持续测量高热流密度的热流计，其特征在于:所述金属片(BI)、金属芯(133)、金属芯(134)材料为金属材料。
【文档编号】G01K17/06GK103884454SQ201410137019
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】程文龙, 夏雨婷, 谢标 申请人:中国科学技术大学