一种水冷式火焰强度测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种水冷式火焰强度测量装置，该装置包括：一端开口、另一端封闭的中空冷却筒，具有高温面和低温面的测量块，分别设置在测量块的高温面和低温面上的热电偶，与冷却筒的开口端固定连接、并封闭冷却筒的开口的底盘，贯穿底盘的中心后伸入冷却筒内部深处的入水管，和贯穿底盘的边缘后伸入冷却筒内部浅处的出水管；其中，冷却筒的封闭端中心开设冷却孔，测量块固定设置在冷却筒的封闭端的中心，且低温面正对冷却孔，入水管的出口正对低温面的中心，高温面背离冷却孔以与火焰相接触。本发明专利技术基于傅里叶导热定律，根据测量块的高温面和低温面的温差来计算火焰的热流密度，原理清晰，结构简单，可以准确测量火焰处热流密度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量火焰热流密度的装置，尤其涉及一种水冷式火焰强度测量装置。
技术介绍
随着航天航空技术的发展，对航天飞行器的热防护研究愈来愈重要。虽然温度测量简便易行，但往往仅了解温度不足以完整地刻画相关物理问题。热流密度为单位时间通过物体单位横截面积上的热量，热流密度是基础传热问题中的一个核心参数，对热防护领域相关装置的设计校核起着重要作用。如电子器件表面虽然温度不特别高，但是热流密度却可以达到十的六次方瓦每平方米的量级，相当于卫星表面的热流状况。高速飞行器头锥表面的热流密度可达十的七次方瓦每平方米的量级，温度超过两千摄氏度。目前已有的火焰热流密度测量装置多采用热流传感器元件，测量量程较小，不能承受较高的热流密度，热流密度难以稳定测量。同时，在能源与动力领域中，锅炉内火焰的热流密度也难以用常规的热流密度计实时长期稳定测量。目前符合测量范围的火焰热流密度装置数量极少而且价格昂贵。为了使设计人员方便对相关装置的使用环境进行更为准确的测量，需要探索新型的简易的火焰热流密度测量装置。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种水冷式火焰强度测量装置，通过分别测量受到火焰冲击的测量块高温面和受到冷却水冲击冷却的测量块低温面的温度，基于傅里叶导热定律，根据测量块的高温面和低温面的温差来计算火焰的热流密度，原理清晰，结构简单，可以准确测量火焰处热流密度。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种水冷式火焰强度测量装置，其特征在于，该装置包括：一端开口、另一端封闭的中空冷却筒，具有高温面和低温面的测量块，分别设置在所述测量块的高温面和低温面上的热电偶，与所述冷却筒的开口端固定连接、并封闭所述冷却筒的开口的底盘，贯穿所述底盘的中心后伸入所述冷却筒内部深处的入水管，和贯穿所述底盘的边缘后伸入所述冷却筒内部浅处的出水管；其中，所述冷却筒的封闭端中心开设冷却孔，所述测量块固定设置在所述冷却筒的封闭端的中心，且所述低温面正对所述冷却孔，所述入水管的出口正对所述低温面的中心，所述高温面背离所述冷却孔以与火焰相接触。所述冷却筒为不锈钢圆柱筒。所述测量块采用304不锈钢金属块制成。所述测量块与所述冷却筒的封闭端之间设置有低导热率的橡胶垫片。所述热电偶采用K型热电偶。所述入水管和出水管与外部冷却装置相连接，以水注入作为冷却水，所述冷却水通过所述外部冷却装置进行循环利用，通过实验选择合适的冷却水流量。所述冷却筒的封闭端和测量块的外部还设置有防护挡板，所述防护挡板与所述冷却筒的封闭端固定连接，并在正对所述测量块的所述高温面的位置开设火焰孔。所述冷却筒、测量块和防护挡板形成的间隙中还填充有耐高温的硅酸铝纤维。所述硅酸铝纤维与所述测量块之间留有孔隙。所述冷却筒与所述底盘和防护挡板之间均通过螺丝固定连接；所述底盘与所述入水管和出水管之间通过焊接的方式连接；所述热电偶与所述测量块的所述高温面和低温面之间通过焊接的方式连接。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术的一种水冷式火焰强度测量装置，通过分别测量受到火焰冲击的测量块高温面和受到冷却水冲击冷却的测量块低温面的温度，基于傅里叶导热定律，根据测量块的高温面和低温面的温差来计算火焰的热流密度，原理清晰，结构简单，可以准确测量火焰处热流密度。2、本专利技术的一种水冷式火焰强度测量装置，通过采用本身具备较好耐高温特性的金属块作为测量块，同时采用高速水流冲击的方式进行热防护形成冲击冷却保护金属结构，使整个测量块温度稳定在较低水平，满足高热流密度环境下的测量需求。3、本专利技术的一种水冷式火焰强度测量装置，直接使用高速冲击水冷强化换热，冷却后的循环水在重力作用下经由空腔流出，避免设计复杂的流道冷却，简便易行，降低了故障率。4、本专利技术的一种水冷式火焰强度测量装置，通过设置防护挡板将冷却筒封闭端与火焰隔开，防止冷却筒烧熔，增强了整个火焰强度测量装置的热防护效果，可以满足更高热流密度环境下的测量需求。5、本专利技术的一种水冷式火焰强度测量装置，通过在冷却筒、测量块和防护挡板形成的间隙中填充硅酸铝纤维，并在使用时向硅酸铝纤维注入冷却水，利用硅酸铝纤维的强毛细作用储存冷却水冷却防护挡板和测量块，起到良好的热防护效果，从而可以满足更高热流密度环境下的测量需求。附图说明图1是本专利技术的立体结构示意图；图2是本专利技术的立体剖视结构示意图；图3是本专利技术的平面剖视结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。图1中的大箭头表示火焰的冲击方向；图2中的箭头表示冷却水的流动方向。根据傅里叶导热定律，物体的热流密度正比于温差，反比于物体厚度，比例系数为物体的导热系数；当物体的几何参数不变，且温度变化范围不大时，导热系数随温度变化可忽略；由于热流密度正比于温差，因此保证温差不变的情况下整体温度下降不影响测量结果，同时得以保护试验装置。在固定金属块尺寸的条件下，测量出相对两表面的温差，查出金属的导热系数，即可求得火焰处的热流密度。根据上述原理，如图1、图2和图3所示，本专利技术提供的一种水冷式火焰强度测量装置，其包括冷却筒1、测量块2、热电偶3、底盘4、入水管5和出水管6。其中，冷却筒1为一端开口、一端封闭的空心筒，封闭端中心开设冷却孔11；测量块2为具备较好耐高温特性的金属块，其相对的两面分别为高温面和低温面，且高温面与低温面之间有一定的厚度，测量块2固定设置在冷却筒1封闭端的中心，且低温面正对冷却孔11，高温面用于与火焰相接触；热电偶3分别固定设置在测量块2的高温面和低温面上，分别用于测量高温面和低温面的温度；底盘4与冷却筒1的开口端固定连接，并封闭冷却筒1的开口；入水管5贯穿底盘4的中心后伸入冷却筒1的内部深处，且入水管5出口正对测量块2的低温面中心，用于注入冷却水，冷却水通过入水管5高速喷出，冲击测量块2的低温面形成冲击冷却，强化了对流换热，同时利用水的巨大的相变潜热，降低水冷式火焰强度测量装置的整体温度；出水管6贯穿底盘4的边缘后伸入冷却筒1的内部浅处，用于排出冲击后的冷却水。上述实施例中，冷却筒1为不锈钢圆柱筒，当然，冷却筒1也可以采用其他形状。上述实施例中，测量块2为304不锈钢金属块，材料能承受1500℃以上高温，本身就具备较好耐高温特性；同时低温面采用高速水流冲击的方式进行热防护，在低温面形成冲击冷却，将整个测量块2的温度稳定在较低水平。上述实施例中，测量块2与冷却筒1的封闭端之间设置有低导热率的橡胶垫片7。上述实施例中，热电偶3采用K型热电偶，测量上限可达1300℃，可保证热电偶3在使用的过程中不被烧断，满足使用需求。上述实施例中，入水管5和出水管6与外部冷却装置相连接，以水注入作为冷却水，冷却水通过外部冷却装置进行循环利用，避免复杂的冷却流道设计；当然，也可以采用其他的冷却剂。为了达到更好地效果，可以通过实验选择合适的冷却剂流量。上述实施例中，冷却筒1的封闭端和测量块2外部还设置有防护挡板8，用于将冷却筒1的封闭端与火焰隔开，防止冷却筒1烧蚀烧熔；防护挡板8与冷却筒1的封闭端固定连接，并在正对测量块2高温面的位置开设火焰孔81，以方便测量块2的高温面接触火焰。上述实施例中，冷却筒1、测量块2和防护挡板8形成的间隙中还填充有耐高温的硅酸铝纤维9，用于储存冷却水冷却防护挡板8。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水冷式火焰强度测量装置，其特征在于，该装置包括：一端开口、另一端封闭的中空冷却筒，具有高温面和低温面的测量块，分别设置在所述测量块的高温面和低温面上的热电偶，与所述冷却筒的开口端固定连接、并封闭所述冷却筒的开口的底盘，贯穿所述底盘的中心后伸入所述冷却筒内部深处的入水管，和贯穿所述底盘的边缘后伸入所述冷却筒内部浅处的出水管；其中，所述冷却筒的封闭端中心开设冷却孔，所述测量块固定设置在所述冷却筒的封闭端的中心，且所述低温面正对所述冷却孔，所述入水管的出口正对所述低温面的中心，所述高温面背离所述冷却孔以与火焰相接触。

【技术特征摘要】
1.一种水冷式火焰强度测量装置，其特征在于，该装置包括：一端开口、另一端封闭的中空冷却筒，具有高温面和低温面的测量块，分别设置在所述测量块的高温面和低温面上的热电偶，与所述冷却筒的开口端固定连接、并封闭所述冷却筒的开口的底盘，贯穿所述底盘的中心后伸入所述冷却筒内部深处的入水管，和贯穿所述底盘的边缘后伸入所述冷却筒内部浅处的出水管；其中，所述冷却筒的封闭端中心开设冷却孔，所述测量块固定设置在所述冷却筒的封闭端的中心，且所述低温面正对所述冷却孔，所述入水管的出口正对所述低温面的中心，所述高温面背离所述冷却孔以与火焰相接触。2.如权利要求1所述的一种水冷式火焰强度测量装置，其特征在于，所述冷却筒为不锈钢圆柱筒。3.如权利要求1所述的一种水冷式火焰强度测量装置，其特征在于，所述测量块采用304不锈钢金属块制成。4.如权利要求1所述的一种水冷式火焰强度测量装置，其特征在于，所述测量块与所述冷却筒的封闭端之间设置有低导热率的橡胶垫片。5.如权利要求1所述的一种水冷式火焰强度测量装置，其特征在于，所述热电偶...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜培学，黄干，祝银海，陆韬杰，廖致远，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11