Калориметрическая система для измерения давления и удельного теплового потока в высокоэнергетических потоках газа
CALORIMETRIC SYSTEM FOR MEASURING PRESSURE AND SPECIFIC HEAT FLUX IN HIGH-ENERGY GAS FLOWS

Предлагаемое техническое решение относится к экспериментальной аэрогазодинамике, в частности к конструированию устройств для измерения удельного теплового потока в высокоэнергетических газах.
th
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 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.
2
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/м). 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.).
2
2
Устройство имеет цилиндрический тепловоспринимающий элемент диаметром 20 мм и используется для измерения удельного теплового потока в диапазоне от 10 до 8000 кВт/м. Недостатком данного калориметрического датчика является отсутствие возможности одновременного измерения давления и неработоспособность свыше 8 МВт/м.
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.
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.
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.
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.
Недостатком прототипа является измерение температуры тепловоспринимающей жидкости на расстоянии более двух метров от тепловоспринимающего элемента (за пределами рабочей части установки).
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.
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.
2
Данная конструкция позволяет кратковременно определять тепловые потоки до 25 МВт/м с минимальной инерционностью.
2
Целью заявленного устройства является повышение точности и надежности при одновременном определении высоких уровней тепловых потоков (более 25 МВт/м) и давления торможения при относительно малых размерах теплового зонда.
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.
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.
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.
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.
На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого технического устройства.
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.
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.
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.