[发明专利]基于高超声速炮风洞的气膜冷却瞬态热流测试系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及气膜冷却测量领域，特别地，涉及一种基于高超声速炮风洞的气膜冷却瞬态热流测试系统及方法。

背景技术

气膜冷却是超声速/高超声速研究领域里的一种典型流动，尤其在光学成像方面具有较广的应用。气膜冷却的效果通常是通过测量其热流分布进行评估。在常规大气环境下测量气膜冷却的热流分布较为简单，但如果要在超声速，甚至是高超声速气流中测量气膜冷却热流则难度较大。地面上进行高超声速气膜冷却的热流测量，需要有高超声速风洞设备，瞬态热流测量技术，以及相应的测试方法。由于高超声速炮风洞运行时间为毫秒量级，瞬态热流测量除了要解决测试技术本身的问题以外，还要考虑风洞运行、气膜运行、热流测量三者的同步控制。由于气膜可以在不同的来流条件下工作，比如高超声速、超声速、亚声速甚至无流动等情况，而研究高超声速条件下的气膜冷却在实际工程中意义重大，同时也是目前研究的难点之一。由于大多数高超声速风洞是脉冲风洞，运行时间很短，所以很显然，在该条件下研究气膜冷却的热流分布，气膜和热流测试系统的运行必须提前于风洞流场的建立。如果在风洞流场建立之前，气膜开启过早，气膜的冷却效应会使得布置在试验模型表面的热流传感器过度预冷却，从而增大风洞运行时的测量误差。所以必须设计一套能够准确控制气膜开启、热流测量系统开启和风洞运行的同步控制及测量系统和方法。目前，尚无可用于高超声速炮风洞中的气膜冷却瞬态热流测试方法及系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于高超声速炮风洞的气膜冷却瞬态热流测试系统及方法，以解决高超声速炮风洞环境中气膜冷却瞬态热流难以测试的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于高超声速炮风洞的气膜冷却瞬态热流测试系统，该高超声速炮风洞包括依次连接的高压段、膜腔、低压段、喷管及实验舱，该测试系统包括：

用于检测膜腔内压力的压力传感器；

压力传感器经放大器连接有同步控制器，同步控制器根据经放大器放大后的压力信号生成触发信号，触发信号用于控制设于实验舱内气膜冷却模型表面生成气膜冷却喷流的时机；

气膜冷却模型表面设有热流传感器，热流传感器的输出端经数字信号采集器连接计算机；

数字信号采集器的控制端连接至同步控制器，数字信号采集器根据同步控制器的工作时序采集来自热流传感器的数据；

计算机用于控制同步控制器的工作时序及存储数字信号采集器采集的热流数据。

进一步地，同步控制器的输出端连接有放大触发信号的固态继电器，固态继电器连接有用于开启或者关闭气膜冷却喷流的电磁阀。

进一步地，热流传感器包括恒压源电路及设于恒压源电路两端用于输出电压值的电桥电路，电桥电路的至少一个桥臂上设有薄膜热敏电阻。

进一步地，热流传感器为多个，在气膜冷却模型表面形成热流传感器阵列。

根据本发明的另一方面，还提供一种基于高超声速炮风洞的气膜冷却瞬态热流测试方法，包括以下步骤：

开启高超声速炮风洞；

检测高超声速炮风洞膜腔内的压力值；

当膜腔内的压力值瞬间升高时，开启气膜冷却喷流以使得位于实验舱内的气膜冷却模型表面形成的冷却气膜不晚于高超声速炮风洞的建立；

测量气膜冷却模型表面的热流数据。

进一步地，热流数据为经热流传感器测量并存储至计算机内。

进一步地，热流传感器在执行开启高超声速炮风洞的步骤之前已处于工作状态。

进一步地，热流传感器包括恒压源电路及设于恒压源电路两端用于输出电压值的电桥电路，电桥电路的至少一个桥臂上设有薄膜热敏电阻。

进一步地，热流传感器为多个，在气膜冷却模型表面形成热流传感器阵列，用于测量同一时刻气膜冷却模型表面多个位置的热流数据。

本发明具有以下有益效果：

本发明基于高超声速炮风洞的气膜冷却瞬态热流测试系统及方法，通过测量高超声速炮风洞膜腔内的压力值，使得气膜冷却喷流的开启时刻稍微提前于风洞流场建立，以保证在风洞流场建立的同时，冷却喷流流场亦同时建立，且由于通过检测风洞模腔内的压力值来触发冷却喷流流场的建立，避免了冷却喷流流场提前提前开启过早导致的热流传感器的工作过载，从而为测量高超声速来流条件下气膜冷却的瞬态热流数据提供了条件，且通过同步控制器的工作时序的控制，保证了风洞运行、气膜运行、及热流测量三者的同步。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。