基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针与流程

1.本发明涉及一种风洞试验领域。更具体地说，本发明涉及一种基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针及应用方法。


背景技术：

2.焓值是高焓流场的重要参数指标，可以反映气流对固体物质的加热能力。对于高焓流场焓值的确定可以通过多种方法，确定焓值的工程方法较多，大致可分为焓探针法、驻点热流法和音速喉道法。其中焓探针法包含了利用总温探针测量流场温度然后通过经验公式得到流场焓值的方法，这种方法的流场总温利用热电偶得到，主要针对焓值较低的高焓流场。焓值的测量除了上述方法，还可以通过测量流场的总温和总压，然后结合平衡化学反应计算得到，其主要原理是通过总温和总压测量得到流场各组分的热力学参数，根据不同组分的定容热容与温度得到焓值。
3.目前，对于总温达数千甚至上万k的高焓流场，温度的测量主要通过光学的方法，通过测量自发辐射光谱、吸收光谱或荧光光谱等，反演得到流场温度。总压测量主要利用压强探针，总温和总压测量通常相互独立，在认为流场稳定的前提下，可以通过上述手段分别得到，这种获取方式的缺点在于：温度和压强的测量分开进行并且在空间上很难做到对同一点进行探测，因此，对于空间分布不均匀且时间上并不稳定的流流场，这种测量方法存在很大误差。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
5.为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针，包括与高温流场出口气流方向相配合的探头；
6.所述探头的中轴线上设置有与外部压强传感器连通的测压模块；
7.在测压模块的一侧设置有测量流场总温的测温模块；
8.其中，所述测温模块被配置为包括：
9.与测压模块的测压通道在空间上具有预定倾斜角度，以将观测点对准探头头部激波层的引光通路；
10.设置在内壳中，以将引光通路引出的光信号收集传输至光信号分析仪器的带光纤式准直镜。
11.优选的是，还包括用于安装探头的水冷支架；
12.所述探头通过外壳和内壳限定得到水冷通道，所述水冷通道通过相配合的连接管路与外部供水模块连通；
13.其中，所述内壳的头部与尾部分别设置有放置密封圈的密封圈槽。
14.优选的是，所述测压模块被配置为包括：设置在内壳中的中空引压管，其一端与高
温流场中的气流方向相配合，另一端与设置在水冷支架上的压强传感器相配合；
15.其中，所述内壳内设置有可供引压管穿入的测压通道；
16.所述外壳在与气流方向相配合一侧设置有与测压通道连通的测压孔。
17.优选的是，还包括将内壳、外壳安装成一体结构的后盖；
18.其中，所述后盖与外壳采用固定机构连接成一体，所述后盖与水冷支撑采用螺纹连接；
19.所述后盖上设置有可供测压模块、测温模块引出端穿过的通孔。
20.优选的是，所述引光通路为设置在内壳上通孔；
21.所述通孔的上部孔径为1mm，底部孔径为4mm，所述准直镜设置在通孔底部。
22.一种基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针的应用方法，包括：
23.将探头与水冷支架连接成一体，以得到能对总温、总压进行同时测量的探针；
24.在高焓流场稳定后，通过送进系统将水冷支架推入至风洞中高温流场出口所在的测点，通过向水冷通道中通入3-3.5mpa的循环式高压冷却水对探针进行冷却处理；
25.在高温气流流过探针外表面时，流场光信号进入引光通路，并在准直镜的作用下通过光纤传输至光信号分析仪器；
26.而高温气流在测量探针头部被滞止，流场总压通过引压管传导至压强传感器，以通过在流场中停留数秒的时间得到稳定的流场总压和辐射光谱；
27.通过辐射光谱中的原子谱线得到流场总温，基于总温和总压经平衡化学反应计算得到流场焓值。
28.本发明至少包括以下有益效果：本发明主要是实现基于光学方法的高焓流场焓值测量，其主要是通过在一个探头的中轴上设计测压孔以测量流场总压，在测压孔的一侧设计一个倾斜的通孔建引光通路，以用于光信号传输，而光信号的引光通路倾斜是为了将观测点对准探头头部激波层附近位置，以测量流场总温。
29.本发明通过在流场中停留数秒的时间得到稳定的流场总压和辐射光谱，进而通过辐射光谱中的原子谱线得到流场总温，基于总温和总压经平衡化学反应计算得到流场焓值，其将两种测量集于一体，且嵌入式的测量方式使得其测量精度满足使用要求。
30.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
31.图1为本发明的探头总体外观示意图；
32.图2为本发明探头的剖面图；
33.图3为图2去掉水管及其接头后的结构示意图；
34.图4为本发明内壳的外部结构示意图；
35.图5为本发明内壳的截面示意图；
36.图6为本发明外壳的截面示意图；
37.图7为本发明探头的应用实例图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
39.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
40.需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.实施例1
43.本发明涉及一种基于光学方法测量总温并同步测量总压来得到流场焓值的光学焓探针，如图1-6所示，而光学焓探针主要包括外壳1、内壳2、测压管3、水管4、后盖5，这5个部分组成，在实际的应用时，测压管通过相配合的测压管接头与内壳进行连接，水管通过对应的水管接头与外部供水管路连接；
44.进一步地，在实际的应用中，所述外壳决定了焓探针的外形，其结构可根据实际的应用场景进行调整，本方案设计成平头驻点模型的形式，进一步地探头通过外壳和内壳限定得到水冷通道6，所述水冷通道通过相配合的水管、水管接头与外部供水管路连通，同时内壳在头部和尾部设计两个密封圈槽用于放置密封圈，进而保证水冷通道的密封性，实现对测压模块、测温模块的水冷操作；
45.外壳的顶部中心有与内壳头部尺寸配合的测压孔7；
46.内壳中心设置有台阶式的安装孔8(其上端孔径为3mm，下端孔径为5mm)，该安装孔可用于供测压管穿过，构建测压通道，也便于与测压管接头在内壳中进行固定；
47.而中空式测压管(也称为引压管)的外径为3mm(以与安装孔中测压通道的直径相茶杯)，内径为1mm，测压管头部连接的测压管连接头，其外径5mm，也正好与内壳中的安装孔相匹配。
48.更进一步地，内壳在测压管位置一侧设计了底部4mm，上部1mm的通孔9作为引光通路，通孔底部用于放置后部连接有光纤的准直镜(未示出)，而准直镜外径4mm，以保证匹配度。
49.水管为外径6mm、内径4mm的铜管，其被配置为伸入外壳与水冷通连通，且水管与外壳采用焊接构成一体式结构。
50.后盖通过螺钉与内壳、外壳连接，将内壳和外壳压紧后配合密封圈实现水冷密封，后盖中心通孔可以使测压管及光纤穿过，后盖螺纹根据水冷支架可进行不同尺寸设计，而后盖上通孔直径不能太小，需保证测压管和光纤伸出；在实际的应用中，内壳被配置为通过三段式不同外径的结构设计(其顶部正好与测压孔相配合)，在空间上具有尺寸差，使得其在与外壳内侧壁进行配合构建容水空间时，其空间更大，且内壳的外侧壁上还设置有多条
纵向排布的水槽10，增加表面积，同时可以对水进行引导和限定。
51.本发明的探头在安装完毕后可承受3.5mpa水压，通过水管及水管接头连接高压循环水进行冷却，在实际的应用中，将测压管连接至压强传感器，光纤连接至光谱仪实现总压、总温测量，通过计算得到流场焓值。
52.本方案中涉及的部件除螺钉外，均为非标准件，采用一次加工成型进行水压测试后即可直接使用。
53.实施例2
54.如图7，本发明的探针主要是在一个带水冷探头的中轴上设计测压孔测量流场总压，在测压孔的一侧设计一个倾斜的通孔用于光信号传输，光信号通道倾斜是为了将观测点对准模型头部激波层11附近位置以测量流场总温；光信号通过通道后由一个准直镜收集进光线最后传输至光谱仪，其具体的应用步骤包括：
55.步骤一，将探头12与水冷支架13连接成一体，以得到能对总温、总压进行同时测量的探针；
56.步骤二，在高焓流场14稳定后，通过送进系统将水冷支架推入至风洞中高温流场出口15所在的测点，通过向水冷通道中通入3-3.5mpa的循环式高压冷却水对探针进行冷却处理；
57.步骤三，在高温气流流过探针外表面时，流场光信号进入引光通路，并在准直镜的作用下通过光纤16传输至光信号分析仪器；
58.而高温气流在测量探针头部被滞止，流场总压通过引压管传导至压强传感器17，以通过在流场中停留数秒的时间得到稳定的流场总压和辐射光谱；
59.通过辐射光谱中的原子谱线得到流场总温，基于总温和总压经平衡化学反应计算得到流场焓值。
60.流场的质量平均焓(单位质量流场焓值)计算公式如下：
61.h0＝∑
icp,i
t+1/2v262.式中h0为焓值，c
p,i
为流场i组分定压热容，t为流场温度，v为流速，本专利中测量时流场在探针头部滞止，流速为0，流场组分及定容热容可根据平衡化学反应(已知温度、压强)得到，流场温度通过测量的辐射信号反演，压强通过传感器直接测量，最后根据公式计算焓值。
63.以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
64.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
65.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针，其特征在于，包括与高温流场出口气流方向相配合的探头；所述探头的中轴线上设置有与外部压强传感器连通的测压模块；在测压模块的一侧设置有测量流场总温的测温模块；其中，所述测温模块被配置为包括：与测压模块的测压通道在空间上具有预定倾斜角度，以将观测点对准探头头部激波层的引光通路；设置在内壳中，以将引光通路引出的光信号收集传输至光信号分析仪器的带光纤式准直镜。2.如权利要求1所述的基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针，其特征在于，还包括用于安装探头的水冷支架；所述探头通过外壳和内壳限定得到水冷通道，所述水冷通道通过相配合的连接管路与外部供水模块连通；其中，所述内壳的头部与尾部分别设置有放置密封圈的密封圈槽。3.如权利要求2所述的基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针，其特征在于，所述测压模块被配置为包括：设置在内壳中的中空引压管，其一端与高温流场中的气流方向相配合，另一端与设置在水冷支架上的压强传感器相配合；其中，所述内壳内设置有可供引压管穿入的测压通道；所述外壳在与气流方向相配合一侧设置有与测压通道连通的测压孔。4.如权利要求1所述的基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针，其特征在于，还包括将内壳、外壳安装成一体结构的后盖；其中，所述后盖与外壳采用固定机构连接成一体，所述后盖与水冷支撑采用螺纹连接；所述后盖上设置有可供测压模块、测温模块引出端穿过的通孔。5.如权利要求1所述的基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针，其特征在于，所述引光通路为设置在内壳上通孔；所述通孔的上部孔径为1mm，底部孔径为4mm，所述准直镜设置在通孔底部。6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针的应用方法，其特征在于，包括：将探头与水冷支架连接成一体，以得到能对总温、总压进行同时测量的探针；在高焓流场稳定后，通过送进系统将水冷支架推入至风洞中高温流场出口所在的测点，通过向水冷通道中通入3-3.5mpa的循环式高压冷却水对探针进行冷却处理；在高温气流流过探针外表面时，流场光信号进入引光通路，并在准直镜的作用下通过光纤传输至光信号分析仪器；而高温气流在测量探针头部被滞止，流场总压通过引压管传导至压强传感器，以通过在流场中停留数秒的时间得到稳定的流场总压和辐射光谱；通过辐射光谱中的原子谱线得到流场总温，基于总温和总压经平衡化学反应计算得到流场焓值。

技术总结
本发明公开了一种基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针及应用方法，包括探头；所述探头的中轴线上设置有与外部压强传感器连通的测压模块；在测压模块的一侧设置有测量流场总温的测温模块；所述测温模块包括：与测压模块的测压通道在空间上具有预定倾斜角度，以将观测点对准探头头部激波层的引光通路；设置在内壳中与引光通路配合的带光纤式准直镜。本发明提供一种基于光学方法得到高焓流场焓值的焓探针及应用方法，通过在流场中停留数秒的时间得到稳定的流场总压和辐射光谱，进而通过辐射光谱中的原子谱线得到流场总温，基于总温和总压经平衡化学反应计算得到流场焓值，其将两种测量集于一体，且嵌入式的测量方式使得其测量精度满足使用要求。量精度满足使用要求。量精度满足使用要求。


技术研发人员：王磊 罗跃 陈卫
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/11