Устройство для определения тепловых потоков и давления в высокотемпературных высоконапорных струях
DEVICE FOR DETERMINATION OF HEAT FLOWS AND PRESSURE IN HIGH-TEMPERATURE HIGH-PRESSURE JETS

Предлагаемое техническое решение относится к экспериментальной аэрогазодинамике, в частности к конструированию устройств для определения величины тепловых потоков и давления на поверхности моделей в высокотемпературных и высоконапорных струях.
th
Известно устройство для определения тепловых потоков при помощи проточного водоохдаждаемого 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 Confer-enced.). 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.
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 массообмена им. Лыкова НАЛ Белоруссии (Минск).
Данное устройство 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.
Устройство 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 зонда 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.
Рассмотренное последним техническое решение является наиболее близким аналогом к заявленному устройству и выбрано в качестве прототипа. Данное устройство (тепловой зонд) работает следующим образом. Через подводящее отверстие тепловоспринимающая жидкость подается в полость между внутренней стенкой полусферы и корпусом устройства и отводится из этой полости через внутреннее отверстие в корпусе. Тепловой зонд вводится в исследуемый поток. Через дренажное отверстие и пневмоканал производится подача газа к датчику давления. При этом измеряется давление в центральной точке полусферы, температура тепловоспринимающей жидкости на входе и выходе устройства и массовый расход жидкости.
Недостатком этого устройства является то, что при таком расположении подводящего и отводящего отверстий течение тепловоспринимающей жидкости в полости между внутренней стенкой полусферы и корпусом организовано неравномерно. Образуются зоны с разной скоростью течения жидкости, возможно образование застойных зон.
При этом интенсивность теплообмена между жидкостью и внутренней стенкой полусферы и нагрев тепловоспринимающей жидкости не равномерный. При высоких уровнях теплового нагружения в застойных зонах возможен локальный перегрев и прогар тепловоспринимающей полусферы. В связи с этим время нахождения зонда в потоке и время измерения параметров струи ограничено. Это накладывает ограничение по величине и точности определяемых тепловых потоков.
2
Данная конструкция позволяет кратковременно определять тепловые потоки до 25 МВт/м.
2
N
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 (внешний радиус полусферы R до 12 мм).
Указанная цель достигается тем, что внутренняя поверхность стенки тепловоспринимающей полусферы имеет спиралеобразные пазы, увеличивающие эффективную поверхность теплопередачи. Канал подвода тепловоспринимающей жидкости выполнен под углом и по касательной к внутренней стенке полсферы. Корпус имеет сегментальный направляющий бортик, сопряженный с внутренней поверхностью полусферы.
Технический результат, который обеспечивается предложенным устройством, заключается в повышении теплостойкости и снижении времени выхода устройства на стационарный тепловой режим при высоких уровнях действующих тепловых потоков.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, выбранном в качестве прототипа и содержащим тепловоспринимающую поверхность в виде тонкостенной полусферы с дренажным отверстием в центральной точке, газоотводящий канал, каналы подвода и отвода тепловоспринимающей жидкости, с целью повышения уровня определяемого теплового потока, надежности и точности измерений подача тепловоспринимающей жидкости в устройстве происходит по подводящему отверстию, направленному под углом и по касательной к внутренней стенке полусферы, на корпусе установлен направляющий сегментальный бортик, вследствие чего движение тепловоспринимающей жидкости осуществляется в виде спиралевидного вихря вдоль внутренней стенки полусферы к ее вершине, а внутренняя стенка имеет спиралеобразные пазы, которые увеличивают площадь теплоотвода и коэффициент теплообмена от полусферы к тепловоспринимающей жидкости.
Таким образом обеспечивается равномерное и направленное обтекание тепловоспринимающей жидкостью внутренней профилированной стенки тепловоспринимающей полусферы и, соответственно, обеспечивается максимально равномерный и эффективный теплообмен между тепловоспринимающей полусферой и тепловоспринимающей жидкостью. Это повышает стойкость устройства к тепловому воздействию, увеличивает уровни определяемых тепловых потоков и время работы устройства в высокотемпературной струе.
На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого технического устройства. На фиг. 2 показан фронтальный вид корпуса 3 устройства. На фиг. 3 показан вид внутренней стенки тепловоспринимающей сферы со спиралеобразными профильными пазами 12.
Устройство (фиг. 1) состоит из тепловоспринимающей полусферы 1, изготовленной из высокотеплопроводного металла (меди), в центральной точке которой имеется дренажное отверстие 2. На внутренней стенке полусферы (фиг. 3) выполнены спиралеобразные пазы 12 для увеличения площади теплообмена между тепловоспринимающей полусферой и тепловоспринимающей жидкостью. Тепловоспринимающая полусфера 1 герметично по стенке 4 припаяна к корпусу устройства 3.
В корпусе 3 (фиг. 2) под углом 70° выполнено подводящее отверстие 5. (На фиг. 1 в сечении подводящее отверстие 5 повернуто на 70°).
Корпус устройства 3 соединен с подводящим 6 и отводящим 7 каналами тепловоспринимающей жидкости, к которым подключены термоэлектрические преобразователи, предназначенные для измерения температуры тепловоспринимающей жидкости. Корпус устройства 3 соединен также с пневмоканалом 8 для замера давления. К пневмоканалу 8 подключен датчик для измерения давления. (На фиг. 1 стрелками показано направление движения тепловоспринимающей жидкости в устройстве). Устройство устанавливается в корпус державки 10. С помощью державки 10 устройство устанавливается на оси высокотемпературной и высоконапорной струи.
На фиг. 1 обозначен корпус державки 10, не входящий в заявленное устройство.
Устройство работает следующим образом. Тепловоспринимающая жидкость подается в полость между внутренней стенкой тепловоспринимающей полусферы 1 и корпусом устройства 3 по касательной через подводящее отверстие 5, расположенное под углом к внутренней стенке тепловоспринимающей поверхности. Для исключения бокового растекания жидкости и организации вихревого движения вдоль стенки в районе выхода подводящего отверстия 5 на корпусе 3 изготовлен направляющий сегментальный бортик 11. При этом поток тепловоспринимающей жидкости, двигаясь вихреобразно вдоль внутренней профилированной стенки полусферы и по спиралеобразным пазам, равномерно омывает ее и обеспечивает надежный отвод тепла от стенки и равномерный прогрев жидкости. Вихрь тепловоспринимающей жидкости, двигаясь к вершине полусферы по профилированной внутренней стенке, постепенно ускоряется, вследствие чего увеличивается теплообмен и отвод тепла в тепловоспринимающую жидкость в зоне воздействия максимальных тепловых потоков. Затем жидкость через кольцевую полость 9 в центральной части корпуса попадает в отводящий канал 7. Температура жидкости измеряется на входе в устройство и на выходе из него. 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 организованное течение жидкости, омывающей внутреннюю профилированную стенку тепловоспринимающей полусферы, обеспечивает высокий уровень теплообмена и эффективное охлаждение стенки полусферы. Вследствие этого обеспечивается работоспособность устройства при более высоких уровнях тепловых потоков к внешней поверхности полусферы и более быстрое наступление стационарного теплового режима в устройстве.
Дополнительно качество достигаемого результата (точность определения тепловых потоков) повышается за счет того, что данное устройство позволяет путем изменения в широком диапазоне расхода тепловоспринимающей жидкости, сохраняя предельно-допустимые тепловые режимы тепловоспринимающей полусферы, добиваться большей разности температуры тепловоспринимающей жидкости на входе и выходе из устройства. Тем самым достигается снижение инструментальной погрешности измерений.