一种台阶型塞式量热计的制作方法

本发明涉及热流测量技术领域，尤其涉及一种台阶型塞式量热计。

背景技术

塞式量热计的结构比较简单，经常用于电弧加热设备试验的模型表面热流测量。塞式量热计适于瞬态测量，为了测得准确的热流数据，应利用快速送进装置将装有量热计的模型快速送入流场特定位置并短暂停留，获取数据后再快速送出。量热计在流场中的有效测量时间一般为0.5s～1s。但由于送进装置的机械动作速度有限，且送入、送出过程中量热计也受到流场持续加热，一次测试量热计曝露在流场的时间一般超过1.5s，因此现有塞式量热计的塞块通常直径大于φ4mm。

但发明人在研究中发现，现有塞式量热计用于尖化前缘驻点热流测量时，由于前缘热流分布梯度较大，现有塞式量热计无法捕捉精确的驻点位置热流。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的是：现有的塞式量热计用于尖化前缘驻点等狭小局部的热流测量时存在的无法捕捉精确的驻点位置热流的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种台阶型塞式量热计，包括塞块1和热电偶2，用以测量模型基体3的热流，其特征在于：所述塞块1是由多个长方体组成的台阶型结构；

所述台阶型结构包括左侧的第一台阶塞块11、中间的第二台阶塞块12和右侧的第三台阶塞块13；

所述第一台阶塞块11的左侧面设置有弧形凸起14，弧形凸起14的弧度与模型基体3的前缘弧度配做；

所述第三台阶塞块13的右侧面中心处焊接有热电偶2；

所述弧形凸起14、所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13为一体成型结构，并且同轴设置。

优选地：所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13的高度比为1：2～3：4～5。

优选地：所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13等长。

优选地：所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13等宽。

优选地：所述第二台阶塞块12的外侧套接有隔热定位套4。

优选地：所述隔热定位套4采用玻璃纤维制成。

优选地：所述第一台阶塞块11的外侧涂覆有耐温涂层5，用以填充所述第一台阶塞块11和模芯基体3之间的缝隙。

优选地：所述第三台阶塞块13的右侧设置有紧固件6，所述紧固件6与模型基体3螺纹连接，用以紧固塞块1。

优选地：所述紧固件6采用玻璃纤维制成。

优选地：所述塞块1采用无氧铜材料制成。

优选地：所述紧固件6采用玻璃纤维制成。

优选地：所述塞块1采用无氧铜材料制成。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的这种量热计将现有塞块式量热计的圆柱体结构改进为头部小尾部大、长条台阶型结构，减小感热面尺寸的同时增加量热计热容，降低量热计整体温升，并改进相应的隔热和安装方式，以实现半径r小于2mm的尖化前缘驻点热流瞬态测量。

附图说明

图1是本发明提供的台阶型塞式量热计的结构示意图；

图2是本发明提供的台阶型塞式量热计中的塞块的结构示意图；

图3是利用本发明提供的台阶型塞式量热计进行数据模拟的结果，图中四条曲线从下至上分别为a，b，c，d。

图中：1：塞块；11：第一台阶塞块；12：第二台阶塞块；13：第三台阶塞块；14：弧形凸起；2：热电偶；3：模型基体；4：隔热定位套；5：耐温涂层；6：紧固件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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的一部分实施例，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的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。

需要说明的是，术语“中心”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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构件的结构，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。

本发明提供了一种台阶型塞式量热计，结构如图1和图2所示，包括塞块1和热电偶2，用以测量模型基体3的热流，所述塞块1是由多个长方体组成的台阶型结构；所述塞块1可以采用无氧铜材料制成；

所述台阶型结构包括左侧的第一台阶塞块11、中间的第二台阶塞块12和右侧的第三台阶塞块13；

所述第一台阶塞块11的左侧面设置有弧形凸起14，弧形凸起14的弧度与模型基体3的前缘弧度配做；

所述第三台阶塞块13的右侧面中心处焊接有热电偶2；

所述弧形凸起14、所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13为一体成型结构，并且同轴设置。

现有塞式量热计的塞块均为圆柱形结构，并且直径较大。发明人发现，将现有塞式量热计用于尖化前缘驻点热流测量时，由于其直径较大，无法捕捉精确的驻点位置热流。若缩小圆柱形塞块的直径，使其适应尖化前缘的尺寸，塞式量热计仍无法使用。这是由于狭小的前缘尺寸要求量热计的直径最大不能超过2mm，这就导致量热计温升过高，向模型基体的漏热增加，且过大的物性参数变化难以修正，测量误差较大。

本发明提供的这种量热计将现有塞块式量热计的圆柱体结构，改进为头部小尾部大、长条台阶型结构，减小感热面尺寸的同时增加量热计热容，降低量热计整体温升，并改进相应的隔热和安装方式，以实现半径r小于2mm的尖化前缘驻点热流瞬态测量。

本发明提供的量热计是针对小尺寸尖化前缘模型(半径r小于2mm)，设计成长方体能够与前缘配型，如果是传统的圆柱体量热计，它与前缘的横向圆柱是垂直的，那么它的有效感热面积无法确定，给测量带来误差。

由于尖化前缘模型上下两面夹角很小，设计的包含三个台阶的塞块比较适宜，少一些热容量不够，多一些加工成本增加，且与模型配装难度增大。

另外，由于尖化前缘尺寸很小，所以量热计前端尺寸更小，台阶型塞块的设计能够增加量热计总的热容量，避免在较短的测量时间内温升过高而带来的误差，甚至烧损。

在一些实施例中，所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13的具体尺寸可以按照如下标准进行设计：

所述第一台阶塞块11的高度h1、所述第二台阶塞块12的高度h2和所述第三台阶塞块13的高度h3这三者之间的比值可以为1：(2～3)：(4～5)；

所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13等长，即所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13这三个长方体的长度l1、l2、l3相同。

所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13等宽，即所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13这三个长方体的宽度均相同(图1中未能显示宽度)。

第一台阶高度h1根据用于测试的模型基体3的前缘半径和需求确定，一般应确保第一台阶塞块11的上下边缘处于前缘15°圆心角范围内。

所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13的长度可以取4h1，宽度可以取5h1。

在一些实施例中，所述第二台阶塞块12的外侧套接有隔热定位套4。具体地，所述隔热定位套4可以采用玻璃纤维制成。隔热定位套4一方面隔离塞块1与模型基体3的热传导，另一方面可以将塞块1定位于模型基体3空腔的固定位置。

在一些实施例中，所述第一台阶塞块11的外侧涂覆有具有一定厚度的耐温涂层5，用以填充所述第一台阶塞块11和模芯基体3之间的缝隙，防止热流进入间隙传热。所述耐温涂层5的材料可以采用现有材料，本发明不做具体限定。

在一些实施例中，所述第三台阶塞块13的右侧设置有紧固件6，所述紧固件6与模型基体3螺纹连接，用以紧固塞块1。具体地，所述紧固件6采用玻璃纤维制成。

更为全面地，本发明提供了一种台阶型塞式量热计，包括塞块1和热电偶2，用以测量模型基体3的热流，所述塞块1是由多个长方体组成的台阶型结构，采用无氧铜材料制成；所述台阶型结构包括左侧的第一台阶塞块11、中间的第二台阶塞块12和右侧的第三台阶塞块13；所述第一台阶塞块11的左侧面设置有弧形凸起14，弧形凸起14的弧度与模型基体3的前缘弧度配做；所述第三台阶塞块13的右侧面中心处焊接有热电偶2；所述弧形凸起14、所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13为一体成型结构，并且同轴设置。

所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13的高度比为1：2～3：4～5。所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13等长。所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13等宽。所述第一台阶塞块11的高度h根据用于测试的模型基体3的前缘半径和需求确定，应确保第一台阶塞块11的上下边缘处于前缘15°圆心角范围内。所述第一台阶塞块11、所述第二台阶塞块12和所述第三台阶塞块13的长度取4h，宽度取5h。

所述第二台阶塞块12的外侧套接有隔热定位套4。所述隔热定位套4采用玻璃纤维制成。

所述第一台阶塞块11的外侧涂覆有具有一定厚度的耐温涂层5，用以填充所述第一台阶塞块11和模芯基体3之间的缝隙，防止热流进入间隙传热。

所述第三台阶塞块13的右侧设置有紧固件6，所述紧固件6与模型基体3螺纹连接，用以紧固塞块1。所述紧固件6采用玻璃纤维制成。

需要说明的是，用于测试的模型基体3可以一体成型，也可以设计成分体结构。图1中的模型基体3即为分体结构，包括左侧的测试头和右侧的尾部组件；测试头和尾部组件利用燕尾槽连接。量热计中的紧固件6与左侧的测试头螺纹连接。

尽管塞块1的外形不规则，但无氧铜材料导热系数大，整体毕渥数很小，周向和底部边界都近似绝热，在经过一定时间(用傅利叶数衡量，对于不同的边界条件、测量精度要求存在不同的要求)以后，内部传热仍可认为是一维非稳态导热，且进入正规状况阶段，在之后的任意时刻，材料内部的温度分布只取决于边界条件和材料物性，不再受初始温度分布影响，材料内部任意位置的温度随时间的变化率处处相等，即：

因此可以用材料底部中点的温度变化率获得传入感应面的热流。不规则的外形难以导出分析解，但通过数值模拟(图3)可以证明上述结论：表面热流恒定的情况下，热传导经历非正规阶段之后，台阶型量热计的内部各点温升速率完全一致。所以可以采用集总参数法，利用测得的塞块底部的温升变化率反映整个塞块的平均温升变化率，从而计算得到表面热流：

q＝(mc/a)(δt/δτ)，

上式中，

q：量热计传热率(热流)，w/m²，

m：圆柱塞块的质量，kg，

c：塞块温升期间平均比热，j/kg·k，

a：塞块截面面积，m²。

δt：塞块量热计接触热源时的温升(曲线的线形部分)，k，

δτ：与温升相对应的时间，s。

而对于现有的塞式量热计来说，需按照如下公式计算热流：

q＝ρcl(δt/δτ)，

式中：

q：量热计传热率(热流)，w/m²，

ρ：塞块材料密度，kg/m³，

c：塞块温升期间平均比热，j/kg·k，

l：塞块长度或从塞块前壁到后壁热电偶处距离，m，

δt：塞块量热计接触热源时的温升(曲线的线形部分)，k，

δτ：与温升相对应的时间，s。

相比于传统塞块式量热计利用长度进行计算，本发明提供的塞式量热计需要测量或计算得到塞块的质量和有效表面面积。

最后应说明的是：以上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精神和范围。