高热流耦合环境下双探头热流计及其热流密度的测定方法
阅读说明：本技术 高热流耦合环境下双探头热流计及其热流密度的测定方法 (Double-probe heat flow meter in high heat flow coupling environment and method for measuring heat flow density thereof ) 是由 董士奎 孙一强 贺志宏 帅永 李嘉宁 于 2018-08-16 设计创作，主要内容包括：一种高热流耦合环境下双探头热流计及其热流密度的测定方法,涉及热流测量技术领域。本发明解决了现有的热流计均无法同时测量对流热、纯辐射热流和总热流值的问题。它包括相邻设置在燃烧室内的两个探头,每个探头均包括第一冷套组件、第二冷套组件、紫铜芯体以及两根热电偶,所述第一冷套组件包括外壳、内套、第一进水管、第一出水管、分区隔板和若干折流板,外壳为桶状结构且外壳的桶底部开设有直通孔,内套包括由上到下依次同轴固接为一体且呈阶梯状分布的第一至第四圆柱段,且内套沿其中心轴向位置开设有阶梯通孔,外壳扣装在第四圆柱段上方,第一圆柱段穿装在直通孔内且第一圆柱段的顶面与外壳的桶底面位于同一水平面。(A double-probe heat flow meter under a high heat flow coupling environment and a method for measuring heat flow density thereof relate to the technical field of heat flow measurement. The invention solves the problem that the existing heat flow meters can not measure the convection heat, the pure radiation heat flow and the total heat flow value simultaneously. The device comprises two probes adjacently arranged in a combustion chamber, wherein each probe comprises a first cold sleeve assembly, a second cold sleeve assembly, a red copper core body and two thermocouples, the first cold sleeve assembly comprises a shell, an inner sleeve, a first water inlet pipe, a first water outlet pipe, a partition plate and a plurality of baffle plates, the shell is of a barrel-shaped structure, a through hole is formed in the barrel bottom of the shell, the inner sleeve comprises first to fourth cylindrical sections which are sequentially coaxially and fixedly connected into a whole from top to bottom and distributed in a step shape, the inner sleeve is provided with a step through hole along the central axial position of the inner sleeve, the shell is buckled above the fourth cylindrical section, the first cylindrical section is arranged in the through hole in a penetrating mode, and the top surface of the first cylindrical section and the barrel bottom surface of the shell are located on the same horizontal plane.)
技术领域
本发明涉及一种高热流耦合环境下双探头热流计及其热流密度的测定方法，涉及热流测量技术领域。
背景技术
随着航空发动机的推动比和飞行器的气动热越来越高，其温度可达1400℃-1600℃，局部最高可到3000℃，表面热流密度可达6MW/m2，局部热流密度最高预计可到8MW/m2，且测量环境恶劣。
在燃气轮机和内燃机的燃烧室中辐射热流全空间存在能够反映出燃料燃烧释热过程、燃料燃烧特性、燃烧室的壁面热流分布和壁温分布等热环境参数。在热防护领域，防护材料不仅要经受辐射热流的考验，同时还要经受强对流下的冲刷，因此同时测量纯辐射和纯对流热流为选取合适的材料、设计可靠的热防护系统提供了参考。因此高温耦合环境下的纯对流热流、纯辐射热流和总热流值对于控制加热过程，评估高温下的设备材料性能，优化动力系统中燃烧器的性能及热保护非常重要。
现有技术中如申请号为201410234217.9的发明专利公开了一种多测头瞬态辐射热流计及热辐射热流密度的测定方法，其为两个表面发射率不同的康铜片在接收到热流后，直接测量康铜片的温度变化。该热流计用于测量辐射热流密度，并且理论模型为集总热容法只考虑了测量点的温度随时间变化，忽略了径向导热会造成测量不准确。由于测头为康铜片，只能适用于低热流密度的瞬态测量，无法在高热流密度下长时间工作。
申请号为201320225593.2的实用新型专利公开了一种双环热保护瞬态辐射热流计，其是根据航天热背景温度为100K，辐射热流为10W/m2-1400W/m2的环境而设计，是瞬态测量热流计。同样这种热流计也只能适用于低热流密度的瞬态测量，无法在高热流密度下长时间工作。
申请号为200910085715.0的发明专利公开了一种高温高压辐射热流计，其在测头顶面添加了蓝宝石玻璃窗，会导致(1)无法覆盖全波长；(2)无法覆盖全部半球空间；(3)只能给出辐射热流，不能同时给出对流和总热流。此外采用耐2000K高温的合金材料，会导致热流计的造价大大提高。
申请号为200920200707.1的实用新型专利公开的一种新型的双翼热流计，和申请号为200920200708.6的实用新型专利公开的一种外冷式新型热流计，采用水冷壁内侧的部件吸热，在水冷壁外侧的热传导部件形成温度梯度，进而推解算出热流值，但是这种方法值只能测量总热流。
这几种热流计都不能同时测量纯对流热流、纯辐射热流和总热流值。
发明内容
本发明是为了解决现有的热流计均无法同时测量对流热、纯辐射热流和总热流值的问题，进而提供了一种高热流耦合环境下双探头热流计及其热流密度的测定方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种高热流耦合环境下双探头热流计，它包括相邻设置在燃烧室内的两个探头，每个探头均包括第一冷套组件、第二冷套组件、紫铜芯体以及两根热电偶，
所述第一冷套组件包括外壳、内套、第一进水管、第一出水管、分区隔板和若干折流板，外壳为桶状结构且外壳的桶底部开设有直通孔，内套包括由上到下依次同轴固接为一体且呈阶梯状分布的第一至第四圆柱段，且内套沿其中心轴向位置开设有阶梯通孔，外壳扣装在第四圆柱段上方且外壳与第三圆柱段螺纹连接，第一圆柱段穿装在直通孔内且第一圆柱段的顶面与外壳的桶底面位于同一水平面，分区隔板及若干折流板均竖直焊接在第二圆柱段的外壁且均与外壳内壁无间隙接触，其中相临的分区隔板和折流板之间以及相临的两个折流板之间均存在间隙，分区隔板的顶端与外壳的桶底部无间隙接触，分区隔板的底端与第三圆柱段的顶端无间隙接触，若干折流板高低交错设置，第一进水管和第一出水管分别竖直穿装且焊接在分区隔板两侧的内套上，
所述第二冷套组件包括冷套管、端盖、第二进水管及第二出水管，冷套管的上部位于内套的内部且与内套螺纹连接，端盖与冷套管的下部螺纹连接，第二进水管及第二出水管分别竖直穿装且焊接在端盖上，第二进水管的顶端靠近紫铜芯体设置，第二出水管的顶端与端盖的顶面位于同一水平面，
紫铜芯体穿装在内套的内部，且紫铜芯体的顶面与外壳的桶底面位于同一水平面，紫铜芯体的下部穿装在冷套管的上部且与冷套管螺纹连接，
紫铜芯体中部的侧壁由上到下开设有两个盲孔，两根热电偶均穿装在端盖上且两根热电偶的测量端对应插装在两个盲孔内，一个探头中的紫铜芯体顶面喷涂有吸热层。
一种高热流耦合环境下双探头热流计热流密度的测定方法，使用黑体炉对紫铜芯体表面发射率进行预先标定，然后再对两个探头进行标定获得温差与辐射热流之间的标定曲线。针对某一环境进行测量时，先将循环冷却机打开，使两个紫铜芯体顶面的初始温度达到一致，待接收热流后，紫铜芯体感应段顶面会吸收热量，因测量段的周围绝热，故将其简化为轴向一维导热，用于测量两个探头中的紫铜芯体的轴向温差ΔT1和ΔT2，将紫铜芯体顶面喷涂吸热层的探头编号为1，其中的紫铜芯体定义为1号紫铜芯体，紫铜芯体顶面无涂层的探头编号为2，其中的紫铜芯体定义为2号紫铜芯体，通过傅里叶定律得出：
其中：
λ1——1号紫铜芯体的热导率；λ2——2号紫铜芯体的热导率；
A′——紫铜芯体感应段顶面面积；A″——紫铜芯体测量段横截面积；
ΔT1——1号紫铜芯体的轴向温差；ΔT2——2号紫铜芯体的轴向温差；
Δx——每个紫铜芯体上两个温度测点之间的轴向距离；
q″total1——1号紫铜芯体感应段顶面所得到的总热流；q″total2——2号紫铜芯体感应段顶面所得到的总热流密度。
由紫铜芯体顶面的能量平衡方程得出：
其中：
α1——1号紫铜芯体感应段顶面的发射率；α2——2号紫铜芯体感应段顶面的发射率；
q″rad——纯辐射热流密度；
q″conv——纯对流热流密度；
因此公式(3)与公式(4)做差，可以得到纯辐射热流密度q″rad
将公式(5)代入到公式(3)中，可以得到纯对流热流密度q″conv
纯辐射热流密度q″rad与对流热流密度q″conv之和，即为总热流密度q″total
q″total＝q″rad+q″conv 公式(7)
本发明与现有技术相比具有以下效果：
紫铜芯体的感应段作为用于接收辐射热流的测头。本申请中两个探头相邻布置，即认为两个测头接收的对流热流是相同的，一个探头中的紫铜芯体顶面喷涂有吸热层，使得两个测头所吸收的辐射不同，表面的发射率不同，产生不同的温度梯度。使用高温黑体炉对紫铜芯体顶面发射率进行标定。因此能够在高热流耦合环境下同时测量的纯对流热流、纯辐射热流和总热流值。
本申请中的探头能够在高热流条件下长时间稳定工作，其测量误差小，经济性好。
附图说明
图1为探头的立体结构示意图；
图2为图1的A-A向剖视示意图；
图3为图1的D-D向剖视示意图；
图4为紫铜芯体的主剖视示意图；
图5为分区隔板与若干折流板的分布示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～5说明本实施方式，一种高热流耦合环境下双探头热流计，其特征在于：它包括相邻设置在燃烧室内的两个探头，每个探头均包括第一冷套组件1-1、第二冷套组件1-2、紫铜芯体1-3以及两根热电偶1-4，
所述第一冷套组件1-1包括外壳1-11、内套1-12、第一进水管1-13、第一出水管1-14、分区隔板1-15和若干折流板1-16，外壳1-11为桶状结构且外壳1-11的桶底部开设有直通孔1-111，内套1-12包括由上到下依次同轴固接为一体且呈阶梯状分布的第一至第四圆柱段，且内套1-12沿其中心轴向位置开设有阶梯通孔1-125，外壳1-11扣装在第四圆柱段1-124上方且外壳1-11与第三圆柱段1-123螺纹连接，第一圆柱段1-121穿装在直通孔1-111内且第一圆柱段1-121的顶面与外壳1-11的桶底面位于同一水平面，分区隔板1-15及若干折流板1-16均竖直焊接在第二圆柱段1-122的外壁且均与外壳1-11内壁无间隙接触，其中相临的分区隔板1-15和折流板1-16之间以及相临的两个折流板1-16之间均存在间隙，分区隔板1-15的顶端与外壳1-11的桶底部无间隙接触，分区隔板1-15的底端与第三圆柱段1-123的顶端无间隙接触，若干折流板1-16高低交错设置，第一进水管1-13和第一出水管1-14分别竖直穿装且焊接在分区隔板1-15两侧的内套1-12上，
所述第二冷套组件1-2包括冷套管1-21、端盖1-22、第二进水管1-23及第二出水管1-24，冷套管1-21的上部位于内套1-12的内部且与内套1-12螺纹连接，端盖1-22与冷套管1-21的下部螺纹连接，第二进水管1-23及第二出水管1-24分别竖直穿装且焊接在端盖1-22上，第二进水管1-23的顶端靠近紫铜芯体1-3设置，第二出水管1-24的顶端与端盖1-22的顶面位于同一水平面，
紫铜芯体1-3穿装在内套1-12的内部，且紫铜芯体1-3的顶面与外壳1-11的桶底面位于同一水平面，紫铜芯体1-3的下部穿装在冷套管1-21的上部且与冷套管1-21螺纹连接，
紫铜芯体1-3中部的侧壁由上到下开设有两个盲孔1-31，两根热电偶1-4均穿装在端盖1-22上且两根热电偶1-4的测量端对应插装在两个盲孔1-31内，一个探头中的紫铜芯体1-3顶面喷涂有吸热层。
紫铜芯体1-3的感应段1-32作为用于接收辐射热流的测头。本申请中两个探头相邻布置，即认为两个测头接收的对流热流是相同的，一个探头中的紫铜芯体1-3顶面喷涂有吸热层，所述吸热层为黑色涂层，另一个探头中的紫铜芯体1-3顶面进行抛光处理，使得两个测头所吸收的辐射不同，表面的发射率不同，产生不同的温度梯度。并使用高温黑体炉对紫铜芯体1-3顶面发射率进行标定。本申请的双探头热流计是一种稳态导热型热流计，能够在全谱段、全半球空间高热流耦合环境下同时测量纯辐射热流、纯对流热流以及总热流值。
分区隔板1-15的底端与第三圆柱段1-123的顶端焊接为一体。
折流板1-16与内套1-12之间、分区隔板1-15与内套1-12之间、第一进水管1-13与内套1-12之间以及第一出水管1-14与内套1-12之间均为点焊。
第一冷套组件1-1的结构源于管壳式换热器的折流板1-16结构，折流板1-16上下间隔布置，能够改变冷却水流动的方向，用于增加水的湍流，提高传热效率，达到冷却外壳1-11及内套1-12的作用并能够适用于高热流密度的辐射与对流耦合的环境。
精心的水冷设计，引入管壳式换热器壳侧折流板1-16的结构，应用到本申请设计中，分区隔板1-15将冷却水进出口隔开，使冷却水只能由第一进水管1-13的管口流向第一出水管1-14的管口，折流板1-16用于改变水的流动方向，增强水和外壳1-11及内套1-12的换热，使其能够长时间在高温耦合环境下工作。
冷套管1-21的上部内径小于下部内径，便于为不能及时通过第二出水管1-24排出的冷却水提供存储空间。
第二进水管1-23与紫铜芯体1-3底端面之间的距离为5mm。
第一进水管1-13、第一出水管1-14、第二进水管1-23以及第二出水管1-24分别与循环冷却机相连接，可以供应恒温冷却水对紫铜芯体1-3的下端面和内套1-12迅速冷却，并维持温度稳定。
第一冷套组件1-1及第二冷套组件1-2的材料均选用廉价的不锈钢304易加工经济性好，并对表面进行抛光处理，以减小发射率继而减少向紫铜芯体1-3的辐射传热。外壳1-11进行圆角处理，以减少边缘处应力集中，使之受力均匀。
燃烧室为高温高压燃烧室。
分区隔板1-15和若干折流板1-16均布设置。
每个热电偶1-4的测量端插装在紫铜芯体1-3上均形成一个温度测点。
紫铜芯体1-3与内套1-12之间填充有绝热材料。使在紫铜芯体1-3周围营造一个绝热的环境。紫铜芯体1-3顶部不与内套1-12相接触，以避免内套1-12与紫铜芯体1-3的导热对测量造成影响。所述的绝热材料采用纳米气凝胶颗粒和纳米气凝胶绝热毡，方式为在内套1-12内壁预先填一层纳米气凝胶绝热毡，再放入气凝胶颗粒。冷套管1-21与内套1-12螺纹连接过程中纳米气凝胶绝热毡会被填入紫铜芯体1-3与内套1-12内壁的空隙中可以达到密封气凝胶颗粒的目的。
所述紫铜芯体1-3为三段式变截面同轴圆柱体，它包括由上到下依次同轴固接的感应段1-32、测量段1-33及冷却段1-34，紫铜芯体1-3穿装在内套1-12的内部，且感应段1-32的顶端面与外壳1-11的桶底面位于同一水平面，冷却段1-34的下部穿装在冷套管1-21的上部且与冷套管1-21螺纹连接，两根热电偶1-4均由下到上顺次穿装在端盖1-22及冷却段1-34上，两根热电偶1-4的测量端均插装在测量段1-33上。紫铜芯体1-3的冷却段1-34是一种热沉结构，用于增大与冷却水的接触面积，使紫铜芯体1-3能够得到快速的冷却，能够适应更高的环境温度。同时冷却段1-34体积较大，其热惯性大，可以减少对测量段1-33的热冲击。
紫铜芯体1-3的测量段1-33直径φ″小于感应段1-32直径φ′。感应段1-32直径比测量段1-33直径大，优选感应段1-32直径为φ′＝8mm优选测量段1-33直径为φ″＝5mm感应段1-32直径比测量段1-33直径大，随φ′/φ″的比值的改变，热流计量程范围也会改变。比值越大，会接收更多的热量，热流计的量程也会变大。但是出于热流计小型化的设计，不能无限的增大。选取φ′/φ″的最佳值，该最佳值是通过数值模拟，这个比值，响应时间最小，用于接收更多的热量，使热流计测温范围更广。
测量段1-33上的两个盲孔1-31之间的距离为6mm。
热电偶1-4的测量端通过修补胶固定在盲孔1-31内，热电偶1-4与冷却段1-34之间以及热电偶1-4与端盖1-22之间均填充有防水树脂胶。所述修补胶为高温修补胶，主要起固定作用，所述防水树脂胶为高温防水树脂胶，主要起密封作用。
若干折流板1-16包括高低交错设置的若干上折流板1-161和若干下折流板1-162，其中上折流板1-161顶端与外壳1-11的桶底部无间隙接触，上折流板1-161底端与第三圆柱段1-123的顶端之间存在间隙，下折流板1-162顶端与外壳1-11的桶底部之间存在间隙，下折流板1-162底端与第三圆柱段1-123的顶端无间隙接触。
外壳1-11下部与内套1-12下部之间以及冷套管1-21下部与端盖1-22之间均通过防水树脂胶密封。所述防水树脂胶为耐高温防水树脂胶，起到进一步密封的作用。
本申请的双探头热流计在进行测量时，利用循环冷却机使紫铜芯体顶面的初始温度达到一致。
一种高热流耦合环境下双探头热流计热流密度的测定方法，使用黑体炉对紫铜芯体1-3表面发射率进行预先标定，然后再对两个探头进行标定获得温差与辐射热流之间的标定曲线。针对某一环境进行测量时，先将循环冷却机打开，使两个测头即紫铜芯体1-3顶面的初始温度达到一致，待接收热流后，紫铜芯体1-3感应段1-32顶面会吸收热量，因测量段1-33的周围绝热，故将其简化为轴向一维导热，用于测量两个探头中的紫铜芯体1-3的轴向温差ΔT1和ΔT2，将紫铜芯体1-3顶面喷涂吸热层的探头编号为1，其中的紫铜芯体1-3定义为1号紫铜芯体，紫铜芯体1-3顶面无涂层的探头编号为2，其中的紫铜芯体1-3定义为2号紫铜芯体，通过傅里叶定律得出：
其中：
λ1——1号紫铜芯体1-3的热导率(通过AP1700物性网站(网址为http://www.ap1700.com/)查找的纯铜在不同温度下的热导率进行拟合得到关系式λ(T)＝-0.08741T+398.5)，该式中T指代的是温度，为了减化公式，因此将λ(T)简化为λ；λ2——2号紫铜芯体1-3的热导率；
A′——紫铜芯体感应段1-32顶面面积；A″——紫铜芯体测量段1-33横截面积；
ΔT1——1号紫铜芯体的轴向温差；ΔT2——2号紫铜芯体的轴向温差；
Δx——每个紫铜芯体上两个温度测点之间的轴向距离；
q″total1——1号紫铜芯体感应段顶面所得到的总热流；q″total2——2号紫铜芯体感应段顶面所得到的总热流密度
由紫铜芯体1-3顶面的能量平衡方程得出：
其中：
α1——1号紫铜芯体感应段顶面的发射率；α2——2号紫铜芯体感应段顶面的发射率；
q″rad——纯辐射热流密度；
q″conv——纯对流热流密度；
因此公式3与公式4做差，可以得到纯辐射热流密度q″rad
将公式5代入到公式3中，可以得到纯对流热流密度q″conv
纯辐射热流密度q″rad与对流热流密度q″conv之和，即为总热流密度q″total
q″total＝q″rad+q″conv (公式7)
能量平衡方程为吸收辐射的能量+对流传热的能量＝紫铜芯体内部的导热能量。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种任意奇点光束阶数检测装置及方法