稳态焓探针的优化设计与试验验证
发布时间：2021-03-11 14:06
针对高超声速飞行器地面防热试验高精度总焓测量需求,研制了一种带热防护罩的稳态焓探针。基于能量平衡原理设计了稳态焓探针测量系统,采用有限元方法分析了焓探针采样管长度、壁厚以及冷却水流向、流量对焓值测量误差的影响,优化设计了焓探针的隔热结构和水气流量。在电弧加热器流场中开展了验证试验,结果表明:该稳态焓探针参数设计合理且隔热结构性能良好,重复性精度优于2.6%,与驻点热流Fay-Riddell法比较,最大偏差为13.0%。
【文章来源】：实验流体力学. 2020,34(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
焓探针采样管结构
为了准确获得计算焓值所需的各个测试量，设计了如图2所示的焓探针测量系统。整个测量系统分为4个模块：模块1为气体采样模块，主要包括焓探针和电磁截止阀（阀打开时开始气体采样，关闭时停止采样）；模块2为气体参数测量模块，主要包括温度传感器（测量采样气体被冷却后的温度Tg）、压力传感器（监测整个气路的实时压力变化，确保流量计的安全使用）和气体质量流量计（测量气体的质量流量mg）；模块3为水参数测量模块，主要包括进出水温度传感器（测量不同时刻的冷却水温升ΔTopen和ΔTclose）和液体流量计（测量冷却水的质量流量mcw）；模块4是数据采集模块，主要包括数据采集系统和控制计算机等。2 焓探针采样管的设计与优化
热防护罩有较大面积暴露于高温气流中，为防止其被高温气流烧坏，必须使用高压水对其进行充分冷却。高压水来自于整个电弧加热器冷却水的分支，其水温存在一定波动，热防护罩内壁面温度也因之产生波动。为减小其对焓值测量的影响，必须尽量减小采样管外壁面与热防护罩内壁面之间的换热。为此，在采样管气体入口端设计了较窄的隔热环，在出口端设计了隔热套，其间大部分为密闭的空气间隙。隔热环和隔热套选用热导率低、耐高温的隔热材料制作。这种隔热结构能够较大程度地减小采样管外壁面与热防护罩内壁面之间的换热。在来流焓值和压力一定的条件下，如果以增大换热量的方式来提高采样管冷却水温升，就需增大气体采样量，即增大采样管口径。但采样管口径太大会对流场产生干扰，且其内部气体与冷却水的换热也不充分，导致ΔT很小。而与体积较小的采样管相比，与采样管后端相连的测试管路是一个较大的热沉，当高温气流与冷却水发生换热时，采样管与测试管路之间也会发生换热，造成热能损失，导致测量结果偏小。这一换热过程很难在短时间内达到平衡，从而增加了焓值测量的响应时间（采样管进出水温差稳定的时间）。针对这一问题，设计了一个与采样管出口端相匹配的测试座（以隔热性能较好的材料制作）。该测试座有2个作用：一是大幅度减小采样管与测试管路之间的换热；二是提供一个测量冷却水温升和冷却后气体温度的支座。测试座具有较低的热导率和较好的隔热性能，与以往的金属管路相比，更有利于减小水、气温度的测量误差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]塞块式量热计隔热结构的改进与试验分析[J]. 朱新新,杨庆涛,王辉,杨凯,朱涛. 实验流体力学. 2018(06)
[2]高温气流总焓测试技术综述[J]. 朱新新,杨庆涛,陈卫,隆永胜. 计测技术. 2018(05)
[3]电弧风洞转动部件动密封试验[J]. 杨远剑,陈德江,赵文峰,张松贺,江波. 空气动力学学报. 2017(06)
[4]弧光灯热流标定系统的光学设计[J]. 朱新新,王辉,杨庆涛,杨凯,陈卫. 光学学报. 2016(11)
[5]高气动加热环境下运载器局部防热设计与试验研究[J]. 刘强,崔赢午,陈志会,李妍. 强度与环境. 2016(01)
[6]大气等离子喷涂中等离子体温度的焓探针法测量[J]. 孙成琪,高阳,杨德明,冯健. 核聚变与等离子体物理. 2014(02)
[7]热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料烧蚀性能的影响[J]. 时圣波,梁军,方国东. 固体火箭技术. 2011(03)
[8]快速焓探针[J]. 赵太泽,王飞,郭少峰,郭文康,须平. 物理学报. 2007(10)
[9]Enthalpy Probe Technique for Thermal Plasma Diagnostics[J]. 冯晓珍. Plasma Science & Technology. 2003(04)
[10]高温气流总焓的测量及微型瞬时探针的研制[J]. 戚隆溪,王柏懿. 流体力学实验与测量. 1997(01)
本文编号：3076588
【文章来源】：实验流体力学. 2020,34(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
焓探针采样管结构
为了准确获得计算焓值所需的各个测试量，设计了如图2所示的焓探针测量系统。整个测量系统分为4个模块：模块1为气体采样模块，主要包括焓探针和电磁截止阀（阀打开时开始气体采样，关闭时停止采样）；模块2为气体参数测量模块，主要包括温度传感器（测量采样气体被冷却后的温度Tg）、压力传感器（监测整个气路的实时压力变化，确保流量计的安全使用）和气体质量流量计（测量气体的质量流量mg）；模块3为水参数测量模块，主要包括进出水温度传感器（测量不同时刻的冷却水温升ΔTopen和ΔTclose）和液体流量计（测量冷却水的质量流量mcw）；模块4是数据采集模块，主要包括数据采集系统和控制计算机等。2 焓探针采样管的设计与优化
热防护罩有较大面积暴露于高温气流中，为防止其被高温气流烧坏，必须使用高压水对其进行充分冷却。高压水来自于整个电弧加热器冷却水的分支，其水温存在一定波动，热防护罩内壁面温度也因之产生波动。为减小其对焓值测量的影响，必须尽量减小采样管外壁面与热防护罩内壁面之间的换热。为此，在采样管气体入口端设计了较窄的隔热环，在出口端设计了隔热套，其间大部分为密闭的空气间隙。隔热环和隔热套选用热导率低、耐高温的隔热材料制作。这种隔热结构能够较大程度地减小采样管外壁面与热防护罩内壁面之间的换热。在来流焓值和压力一定的条件下，如果以增大换热量的方式来提高采样管冷却水温升，就需增大气体采样量，即增大采样管口径。但采样管口径太大会对流场产生干扰，且其内部气体与冷却水的换热也不充分，导致ΔT很小。而与体积较小的采样管相比，与采样管后端相连的测试管路是一个较大的热沉，当高温气流与冷却水发生换热时，采样管与测试管路之间也会发生换热，造成热能损失，导致测量结果偏小。这一换热过程很难在短时间内达到平衡，从而增加了焓值测量的响应时间（采样管进出水温差稳定的时间）。针对这一问题，设计了一个与采样管出口端相匹配的测试座（以隔热性能较好的材料制作）。该测试座有2个作用：一是大幅度减小采样管与测试管路之间的换热；二是提供一个测量冷却水温升和冷却后气体温度的支座。测试座具有较低的热导率和较好的隔热性能，与以往的金属管路相比，更有利于减小水、气温度的测量误差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]塞块式量热计隔热结构的改进与试验分析[J]. 朱新新,杨庆涛,王辉,杨凯,朱涛. 实验流体力学. 2018(06)
[2]高温气流总焓测试技术综述[J]. 朱新新,杨庆涛,陈卫,隆永胜. 计测技术. 2018(05)
[3]电弧风洞转动部件动密封试验[J]. 杨远剑,陈德江,赵文峰,张松贺,江波. 空气动力学学报. 2017(06)
[4]弧光灯热流标定系统的光学设计[J]. 朱新新,王辉,杨庆涛,杨凯,陈卫. 光学学报. 2016(11)
[5]高气动加热环境下运载器局部防热设计与试验研究[J]. 刘强,崔赢午,陈志会,李妍. 强度与环境. 2016(01)
[6]大气等离子喷涂中等离子体温度的焓探针法测量[J]. 孙成琪,高阳,杨德明,冯健. 核聚变与等离子体物理. 2014(02)
[7]热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料烧蚀性能的影响[J]. 时圣波,梁军,方国东. 固体火箭技术. 2011(03)
[8]快速焓探针[J]. 赵太泽,王飞,郭少峰,郭文康,须平. 物理学报. 2007(10)
[9]Enthalpy Probe Technique for Thermal Plasma Diagnostics[J]. 冯晓珍. Plasma Science & Technology. 2003(04)
[10]高温气流总焓的测量及微型瞬时探针的研制[J]. 戚隆溪,王柏懿. 流体力学实验与测量. 1997(01)
本文编号：3076588
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