RU2759311C1 - Calorimetric system for measuring pressure and specific heat flux in high-energy gas flows - Google Patents

Abstract

FIELD: experimental aerogasdynamics.

SUBSTANCE: invention relates to experimental aerogasdynamics, in particular to the design of devices for determining measurements of the specific heat flux in high-energy gases. The device for measuring the specific heat flux and braking pressure in high-energy gas flows is made in the form of a half-body with pipes for supplying and removing coolant located in it, connected to the internal cavity of a heat receiver installed on the front part of the half-body and having a drainage hole made along its longitudinal axis. The drainage hole through the through hole of the screed installed inside the half-case and the pipe for tapping the pressure of the gas flow is connected to the pressure sensor, characterized in that it contains a differential thermocouple and a gasket made of elastic electrical-heat-insulating material, placed between the heat sink and the half-case, in which three holes. One of the holes is made in the center of the gasket, and the side holes of the gasket are located diametrically opposite to each other. Hot junctions of the differential thermocouple are located in the side holes, and its free ends are connected to the recorder through the gasket material and the inner cavity of the half-case.

EFFECT: improving accuracy and reliability while simultaneously determining high levels of heat fluxes (more than 25 MW/m²) and braking pressure with relatively small dimensions of the heat probe, reducing inertia.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к экспериментальной аэрогазодинамике, в частности к конструированию устройств для измерения удельного теплового потока в высокоэнергетических газах.The proposed technical solution relates to experimental aerogasdynamics, in particular to the design of devices for measuring the specific heat flux in high-energy gases.

Известно устройство для определения тепловых потоков при помощи проточного водоохлаждаемого калориметра (рис. 2, стр. 3. «Comparison of Calorimetric Sensors-NASA Ames and IRS». Fluid Dynamics and Co-located Conferences June 24-27, 2013, San Diego, CA 44^th AIAA Termophysics Conferenced.). В данном устройстве определение теплового потока осуществляется путем измерения расхода и прироста температуры воды, охлаждающей поверхность датчика, на которую воздействует высокоэнтальпийный поток газа.A device is known for determining heat fluxes using a flowing water-cooled calorimeter (Fig. 2, page 3. "Comparison of Calorimetric Sensors-NASA Ames and IRS." Fluid Dynamics and Co-located Conferences June 24-27, 2013, San Diego, CA 44 ^th AIAA Termophysics Conferenced.). In this device, the determination of the heat flow is carried out by measuring the flow rate and the temperature rise of the water cooling the sensor surface, which is affected by the high-enthalpy gas flow.

Устройство обеспечивает высокую точность определения теплового потока. Недостатком этого устройства является невозможность измерить давление торможения и относительно низкие уровни определяемых тепловых потоков (до 10 МВт/м²). При более высоких тепловых потоках устройство прогорает. Известен калориметрический датчик теплового потока (рис. 10.2, стр. 333. «Конвективный теплообмен летательных аппаратов» Б.А. Землянский, В.В. Лунёв, Г.Н. Залогин, И.Н. Мурзинов, Р.В. Ковалев, А.Б. Горшков, В.И. Власов, В.П. Маринин; под науч. ред. Б.А. Землянского. - М.: ФИЗМАТЛИТ, - 2014. - 380 с.).The device provides high accuracy in determining the heat flux. The disadvantage of this device is the inability to measure the braking pressure and relatively low levels of determined heat fluxes (up to 10 MW / m ² ). At higher heat fluxes, the device burns out. Known calorimetric heat flow sensor (Fig. 10.2, p. 333. "Convective heat exchange of aircraft" B. A. Zemlyansky, V. V. Lunev, G. N. Zalogin, I. N. Murzinov, R. V. Kovalev, A. B. Gorshkov, V. I. Vlasov, V. P. Marinin; under the scientific editorship of B. A. Zemlyansky. - M .: FIZMATLIT, - 2014. - 380 p.).

Устройство имеет цилиндрический тепловоспринимающий элемент диаметром 20 мм и используется для измерения удельного теплового потока в диапазоне от 10 до 8000 кВт/м². Недостатком данного калориметрического датчика является отсутствие возможности одновременного измерения давления и неработоспособность свыше 8 МВт/м².The device has a cylindrical heat-sensing element with a diameter of 20 mm and is used to measure the specific heat flux in the range from 10 to 8000 kW / m ² . The disadvantage of this calorimetric sensor is the lack of the possibility of simultaneous measurement of pressure and inoperability over 8 MW / m ² .

Известно устройство для определения тепловых потоков и давления при помощи проточного водоохлаждаемого теплового зонда (рис. 3, стр. 165. «Расчетно-экспериментальные исследования уноса массы углеродного материала на сублимационном режиме его термохимического разрушения». Горский В.В., Золотарев С.Л., Оленичева А.А. Том 88 №1, 2015 г., стр. 161-164. Инженерно-физический журнал. Издательство: Институт тепло- и массооб-мена им. Лыкова НАН Белоруссии (Минск)). Это устройство взято за прототип.Known device for determining heat fluxes and pressure using a flowing water-cooled heat probe (Fig. 3, p. 165. "Computational and experimental studies of the carryover of the mass of carbon material in the sublimation mode of its thermochemical destruction." Gorsky V.V., Zolotarev S.L. ., Olenicheva AA Volume 88 No. 1, 2015, pp. 161-164. Engineering Physics Journal. Publisher: Lykov Institute of Heat and Mass Transfer of the National Academy of Sciences of Belarus (Minsk)). This device is taken as a prototype.

Прототип является комбинированным тепловым зондом и обеспечивает одновременное измерение давления и определение тепловых потоков на поверхности модели в высокотемпературных аэрогазодинамических струях. В данном устройстве определение теплового потока осуществляется путем измерения расхода и прироста температуры тепловоспринимающей жидкости, охлаждающей полусферическую поверхность зонда, на которую воздействует высокоэнтальпийный поток газа.The prototype is a combined heat probe and provides simultaneous measurement of pressure and determination of heat fluxes on the model surface in high-temperature aerogasdynamic jets. In this device, the determination of the heat flux is carried out by measuring the flow rate and the increase in temperature of the heat-receiving liquid, which cools the hemispherical surface of the probe, which is affected by the high-enthalpy gas flow.

Прототип содержит насадок, представляющий комбинацию датчика теплового потока с насадком полного давления, подводящие каналы системы теплоотвода (калориметрирования), с подключенными к ним термоэлектрическими преобразователями (термопары, термосопротивления), предназначенными для измерения температуры калориметрической жидкости, и датчиком расхода, а также пневмоканал, к которому подключается датчик давления.The prototype contains a nozzle representing a combination of a heat flow sensor with a full pressure nozzle, supply channels of the heat removal system (calorimetry), with thermoelectric converters (thermocouples, thermal resistances) connected to them, designed to measure the temperature of the calorimetric liquid, and a flow sensor, as well as a pneumatic channel to to which the pressure sensor is connected.

Тепловоспринимающая поверхность прототипа выполнена в виде полусферы. В центральной точке тепловоспринимающей поверхности имеется дренажное отверстие, от которого к датчику давления идет пневмоканал. Для подачи охлаждающей жидкости к внутренней стенке полусферы и отвода нагретой жидкости от нее в корпусе в диаметрально противоположном направлении по нормали к корпусу и внутренней стенке тепловоспринимающей полусферы выполнены два отверстия.The heat-sensing surface of the prototype is made in the form of a hemisphere. At the central point of the heat-sensing surface there is a drainage hole, from which a pneumatic channel goes to the pressure sensor. To supply coolant to the inner wall of the hemisphere and drain the heated liquid from it, two holes are made in the body in the diametrically opposite direction along the normal to the body and the inner wall of the heat-receiving hemisphere.

Недостатком прототипа является измерение температуры тепловоспринимающей жидкости на расстоянии более двух метров от тепловоспринимающего элемента (за пределами рабочей части установки).The disadvantage of the prototype is the measurement of the temperature of the heat-sensing liquid at a distance of more than two meters from the heat-sensing element (outside the working part of the installation).

Заявленное устройство комбинирует возможности рассмотренных двух последних технических решений. Калориметрическая система работает следующим образом. От системы замкнутого оборотного водоснабжения через подводящую трубку, а затем через полукорпус подается тепловоспринимающая жидкость в полость теплоприемника. Между теплоприемником и полукорпусом находится прокладка, выполняющая одновременно три функции: уплотнителя, для герметичности полости; теплоизолятора, для минимизации перетечек тепла от теплоприемника к полукорпусу; и электроизолятора для дифференциальной термопары. Два спая дифференциальной термопары измеряют температуру непосредственно на входе в теплоприемник и выходе из него. В критической точке имеется дренажное отверстие, от которого через стяжку и трубку отбора давления к датчику давления идет пневмоканал. Калориметрическая система вводится в исследуемый высокотемпературный высокоскоростной поток. При этом измеряется давление в критической точке полусферы, температура тепловоспринимающей жидкости на входе в теплоприемник и выходе из него, а также массовый расход жидкости.The claimed device combines the capabilities of the last two discussed technical solutions. The calorimetric system works as follows. From the closed circulating water supply system through the supply pipe, and then through the half-case, a heat-absorbing liquid is supplied into the cavity of the heat receiver. Between the heat receiver and the half-body there is a gasket that simultaneously performs three functions: a seal for the tightness of the cavity; heat insulator, to minimize heat transfer from the heat sink to the half-case; and an electrical insulator for the differential thermocouple. The two junction differential thermocouples measure the temperature directly at the inlet and outlet of the heat sink. At the critical point, there is a drain hole, from which a pneumatic channel runs through the tie and the pressure take-off pipe to the pressure sensor. The calorimetric system is introduced into the investigated high-temperature high-speed flow. In this case, the pressure at the critical point of the hemisphere, the temperature of the heat-absorbing liquid at the inlet and outlet of the heat receiver, as well as the mass flow rate of the liquid are measured.

При интенсивном нагреве существует вероятность перегрева и деструкции прокладки. В связи с этим время нахождения зонда в потоке и время измерения параметров струи ограничено. Это накладывает ограничение по величине определяемых тепловых потоков и длительности эксперимента.With intense heating, there is a possibility of overheating and destruction of the gasket. In this regard, the time spent by the probe in the flow and the time for measuring the parameters of the jet are limited. This imposes a limitation on the magnitude of the determined heat fluxes and the duration of the experiment.

Данная конструкция позволяет кратковременно определять тепловые потоки до 25 МВт/м² с минимальной инерционностью.This design allows a short time to determine the heat fluxes up to 25 MW / m ² with minimal lag.

Целью заявленного устройства является повышение точности и надежности при одновременном определении высоких уровней тепловых потоков (более 25 МВт/м²) и давления торможения при относительно малых размерах теплового зонда.The purpose of the inventive device is to increase precision and reliability while determining heat fluxes of high levels (more than 25 MW / m ²⁾ and the braking pressure at a relatively small size of the thermal probe.

Указанная цель достигается за счет размещения спаев дифференциальной термопары, измеряющих температуру тепловоспринимающей жидкости, на входе в теплоприемник и выходе из него, датчика давления, связанного через стяжку и трубку для отбора давления с дренажным отверстием в критической точке теплоприемника, и прокладки, изготовленной из электротеплоизоляционного материала, предназначенной для размещения спаев термопары и минимизации погрешности измерения, которая может быть обусловлена перетечками тепла между разогретым теплоприемником и полукорпусом.This goal is achieved by placing differential thermocouple junctions that measure the temperature of the heat-absorbing liquid at the inlet and outlet of the heat-receiver, a pressure sensor connected through a tie and a pressure-tapping tube with a drain hole at the critical point of the heat-receiver, and a gasket made of electrical heat-insulating material , designed to accommodate the thermocouple junctions and to minimize the measurement error, which may be caused by heat transfer between the heated heat sink and the half-case.

Технический результат, который обеспечивается предложенной калориметрической системой, заключается в сокращении времени испытаний за счет снижения времени выхода устройства на стационарный тепловой режим (уменьшение инерционности) при высоких уровнях действующих тепловых потоков.The technical result, which is provided by the proposed calorimetric system, consists in reducing the test time by reducing the time the device reaches a stationary thermal regime (decreasing inertia) at high levels of operating heat fluxes.

Указанный технический результат достигается за счет измерения температуры тепловоспринимающей жидкости непосредственно на входе в теплоприемник и выходе из него в отличие от прототипа, где измерение температуры воды проводится за пределами рабочей части установки, т.е. на расстоянии более двух метров от тепловоспринимающего элемента, что в сумме дает более четырех метров от входа до выхода.The specified technical result is achieved by measuring the temperature of the heat-absorbing liquid directly at the inlet and outlet of the heat receiver, in contrast to the prototype, where the water temperature is measured outside the working part of the installation, i.e. at a distance of more than two meters from the heat-sensing element, which in total gives more than four meters from the entrance to the exit.

Таким образом обеспечивается корректное определение удельного теплового потока путем расчета площади поверхности теплоприемника калориметрической системы, расхода воды в калориметрической системе и разности температуры воды на входе и выходе из теплоприемника, что, соответственно, обеспечивает максимально равномерный и эффективный теплообмен между тепловоспринимающей полусферой и тепловоспринимающей жидкостью. Это повышает стойкость устройства к тепловому воздействию, увеличивает уровни определяемых тепловых потоков в высокотемпературной струе и адекватность получаемых данных с устройства.Thus, the correct determination of the specific heat flux is ensured by calculating the surface area of the heat receiver of the calorimetric system, the water flow rate in the calorimetric system, and the difference in water temperature at the inlet and outlet of the heat receiver, which, accordingly, ensures the most uniform and efficient heat exchange between the heat-receiving hemisphere and the heat-absorbing liquid. This increases the resistance of the device to thermal effects, increases the levels of detected heat fluxes in the high-temperature jet and the adequacy of the data obtained from the device.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого технического устройства.FIG. 1 shows a general view of the proposed technical device.

Устройство состоит из теплоприемника 1, изготовленного из медного сплава, в критической точке которого имеется дренажное отверстие. Стяжка 2 из стали выполняет одновременно функцию натяжителя и трубки отбора давления. Теплоприемник 1 стыкуется к полукорпусу 3. При затягивании болта 4 герметичность полости обеспечивается за счет прокладки 5, чертеж которой вынесен отдельно на фиг. 2.The device consists of a heat sink 1 made of copper alloy, at the critical point of which there is a drainage hole. The steel tie 2 acts both as a tensioner and a pressure take-off tube. The heat receiver 1 is joined to the half-case 3. When the bolt 4 is tightened, the cavity tightness is ensured by the gasket 5, the drawing of which is shown separately in FIG. 2.

Полукорпус устройства 3 соединен с трубками подвода охлаждающей жидкости. Стяжка 2 соединена с трубкой отбора давления. К трубке отбора давления подключен датчик для измерения давления. В прокладке 5 проходит дифференциальная термопара. Устройство устанавливается в державку калориметрической системы, находящуюся на механизме перемещения. С помощью державки устройство вводится в высокотемпературный высокоскоростной поток и выводится из него.The half-body of the device 3 is connected to the pipes for supplying the coolant. Screed 2 is connected to the pressure take-off pipe. A pressure sensor is connected to the pressure take-off tube. A differential thermocouple passes through the gasket 5. The device is installed in the holder of the calorimetric system, which is located on the movement mechanism. The holder is used to insert the device into and out of the high temperature high speed flow.

Устройство работает следующим образом. Тепловоспринимающая жидкость подается в полость теплоприемника 1. При прохождении прокладки, происходит измерение температуры на входе в теплоприемник 1. Затем жидкость через кольцевую полость в центральной части корпуса попадает в отводящий канал, расположенный симметрично, обеспечив полный теплосъем. При прохождении прокладки, происходит измерение температуры на выходе из теплоприемника 1. По расходу жидкости в единицу времени и по разности температур на входе и выходе из устройства определяется количество тепла, поглощенного жидкостью в стационарном тепловом режиме, и соответственно определяется величина теплового потока к поверхности полусферы. Рационально размещенные спаи дифференциальной термопары обеспечивают быстрое установление стационарного теплового режима в устройстве. Тем самым достигается снижение инструментальной погрешности измерений.The device works as follows. The heat-absorbing liquid is supplied to the cavity of the heat-receiver 1. When the gasket passes, the temperature is measured at the inlet to the heat-receiver 1. Then, the liquid through the annular cavity in the central part of the body enters the outlet channel, located symmetrically, providing full heat removal. When passing through the gasket, the temperature is measured at the outlet from the heat receiver 1. The amount of heat absorbed by the liquid in a stationary thermal regime is determined by the flow rate of the liquid per unit time and the difference in temperatures at the inlet and outlet of the device, and, accordingly, the amount of heat flux to the surface of the hemisphere is determined. Rationally placed differential thermocouple junctions provide fast establishment of a stationary thermal regime in the device. Thus, a decrease in the instrumental measurement error is achieved.

Claims (1)

Устройство для измерения удельного теплового потока и давления торможения в высокоэнергетических газовых потоках, выполненное в виде полукорпуса с размещенными в нем трубками подвода и отвода охлаждающей жидкости, связанными с внутренней полостью теплоприемника, установленного на передней части полукорпуса и имеющего дренажное отверстие, выполненное по его продольной оси, которое через сквозное отверстие стяжки, установленной внутри полукорпуса, и трубку для отбора давления газового потока связано с датчиком давления, отличающееся тем, что содержит дифференциальную термопару и прокладку, изготовленную из упругого электро-теплоизоляционного материала, размещенную между теплоприемником и полукорпусом, в которой выполнены три отверстия, причем одно из них выполнено по центру прокладки, а боковые отверстия прокладки расположены диаметрально противоположно друг другу, горячие спаи термопары размещены в боковых отверстиях прокладки, а ее свободные концы через материал прокладки и внутреннюю полость полукорпуса подключены к регистратору.A device for measuring the specific heat flux and braking pressure in high-energy gas flows, made in the form of a half-body with pipes for supplying and removing coolant located in it, connected to the internal cavity of a heat receiver installed on the front part of the half-body and having a drain hole made along its longitudinal axis , which is connected to the pressure sensor through the through hole of the tie installed inside the half-case and the tube for taking the pressure of the gas flow, characterized in that it contains a differential thermocouple and a gasket made of elastic electro-heat-insulating material, placed between the heat sink and the half-case, in which three holes, one of which is made in the center of the gasket, and the side holes of the gasket are located diametrically opposite to each other, the thermocouple hot junctions are located in the side holes of the gasket, and its free ends through the gasket material and the inner the cavity of the half-body is connected to the recorder.

Images