本發(fā)明涉及一種測量火焰熱流密度的裝置，尤其涉及一種水冷式火焰強度測量裝置。

背景技術：

隨著航天航空技術的發(fā)展，對航天飛行器的熱防護研究愈來愈重要。雖然溫度測量簡便易行，但往往僅了解溫度不足以完整地刻畫相關物理問題。熱流密度為單位時間通過物體單位橫截面積上的熱量，熱流密度是基礎傳熱問題中的一個核心參數(shù)，對熱防護領域相關裝置的設計校核起著重要作用。如電子器件表面雖然溫度不特別高，但是熱流密度卻可以達到十的六次方瓦每平方米的量級，相當于衛(wèi)星表面的熱流狀況。高速飛行器頭錐表面的熱流密度可達十的七次方瓦每平方米的量級，溫度超過兩千攝氏度。目前已有的火焰熱流密度測量裝置多采用熱流傳感器元件，測量量程較小，不能承受較高的熱流密度，熱流密度難以穩(wěn)定測量。同時，在能源與動力領域中，鍋爐內(nèi)火焰的熱流密度也難以用常規(guī)的熱流密度計實時長期穩(wěn)定測量。目前符合測量范圍的火焰熱流密度裝置數(shù)量極少而且價格昂貴。為了使設計人員方便對相關裝置的使用環(huán)境進行更為準確的測量，需要探索新型的簡易的火焰熱流密度測量裝置。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種水冷式火焰強度測量裝置，通過分別測量受到火焰沖擊的測量塊高溫面和受到冷卻水沖擊冷卻的測量塊低溫面的溫度，基于傅里葉導熱定律，根據(jù)測量塊的高溫面和低溫面的溫差來計算火焰的熱流密度，原理清晰，結構簡單，可以準確測量火焰處熱流密度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種水冷式火焰強度測量裝置，其特征在于，該裝置包括：一端開口、另一端封閉的中空冷卻筒，具有高溫面和低溫面的測量塊，分別設置在所述測量塊的高溫面和低溫面上的熱電偶，與所述冷卻筒的開口端固定連接、并封閉所述冷卻筒的開口的底盤，貫穿所述底盤的中心后伸入所述冷卻筒內(nèi)部深處的入水管，和貫穿所述底盤的邊緣后伸入所述冷卻筒內(nèi)部淺處的出水管；其中，所述冷卻筒的封閉端中心開設冷卻孔，所述測量塊固定設置在所述冷卻筒的封閉端的中心，且所述低溫面正對所述冷卻孔，所述入水管的出口正對所述低溫面的中心，所述高溫面背離所述冷卻孔以與火焰相接觸。

所述冷卻筒為不銹鋼圓柱筒。

所述測量塊采用304不銹鋼金屬塊制成。

所述測量塊與所述冷卻筒的封閉端之間設置有低導熱率的橡膠墊片。

所述熱電偶采用K型熱電偶。

所述入水管和出水管與外部冷卻裝置相連接，以水注入作為冷卻水，所述冷卻水通過所述外部冷卻裝置進行循環(huán)利用，通過實驗選擇合適的冷卻水流量。

所述冷卻筒的封閉端和測量塊的外部還設置有防護擋板，所述防護擋板與所述冷卻筒的封閉端固定連接，并在正對所述測量塊的所述高溫面的位置開設火焰孔。

所述冷卻筒、測量塊和防護擋板形成的間隙中還填充有耐高溫的硅酸鋁纖維。

所述硅酸鋁纖維與所述測量塊之間留有孔隙。

所述冷卻筒與所述底盤和防護擋板之間均通過螺絲固定連接；所述底盤與所述入水管和出水管之間通過焊接的方式連接；所述熱電偶與所述測量塊的所述高溫面和低溫面之間通過焊接的方式連接。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明的一種水冷式火焰強度測量裝置，通過分別測量受到火焰沖擊的測量塊高溫面和受到冷卻水沖擊冷卻的測量塊低溫面的溫度，基于傅里葉導熱定律，根據(jù)測量塊的高溫面和低溫面的溫差來計算火焰的熱流密度，原理清晰，結構簡單，可以準確測量火焰處熱流密度。2、本發(fā)明的一種水冷式火焰強度測量裝置，通過采用本身具備較好耐高溫特性的金屬塊作為測量塊，同時采用高速水流沖擊的方式進行熱防護形成沖擊冷卻保護金屬結構，使整個測量塊溫度穩(wěn)定在較低水平，滿足高熱流密度環(huán)境下的測量需求。3、本發(fā)明的一種水冷式火焰強度測量裝置，直接使用高速沖擊水冷強化換熱，冷卻后的循環(huán)水在重力作用下經(jīng)由空腔流出，避免設計復雜的流道冷卻，簡便易行，降低了故障率。4、本發(fā)明的一種水冷式火焰強度測量裝置，通過設置防護擋板將冷卻筒封閉端與火焰隔開，防止冷卻筒燒熔，增強了整個火焰強度測量裝置的熱防護效果，可以滿足更高熱流密度環(huán)境下的測量需求。5、本發(fā)明的一種水冷式火焰強度測量裝置，通過在冷卻筒、測量塊和防護擋板形成的間隙中填充硅酸鋁纖維，并在使用時向硅酸鋁纖維注入冷卻水，利用硅酸鋁纖維的強毛細作用儲存冷卻水冷卻防護擋板和測量塊，起到良好的熱防護效果，從而可以滿足更高熱流密度環(huán)境下的測量需求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的立體剖視結構示意圖；

圖3是本發(fā)明的平面剖視結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

圖1中的大箭頭表示火焰的沖擊方向；圖2中的箭頭表示冷卻水的流動方向。

根據(jù)傅里葉導熱定律，物體的熱流密度正比于溫差，反比于物體厚度，比例系數(shù)為物體的導熱系數(shù)；當物體的幾何參數(shù)不變，且溫度變化范圍不大時，導熱系數(shù)隨溫度變化可忽略；由于熱流密度正比于溫差，因此保證溫差不變的情況下整體溫度下降不影響測量結果，同時得以保護試驗裝置。在固定金屬塊尺寸的條件下，測量出相對兩表面的溫差，查出金屬的導熱系數(shù)，即可求得火焰處的熱流密度。

根據(jù)上述原理，如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供的一種水冷式火焰強度測量裝置，其包括冷卻筒1、測量塊2、熱電偶3、底盤4、入水管5和出水管6。其中，冷卻筒1為一端開口、一端封閉的空心筒，封閉端中心開設冷卻孔11；測量塊2為具備較好耐高溫特性的金屬塊，其相對的兩面分別為高溫面和低溫面，且高溫面與低溫面之間有一定的厚度，測量塊2固定設置在冷卻筒1封閉端的中心，且低溫面正對冷卻孔11，高溫面用于與火焰相接觸；熱電偶3分別固定設置在測量塊2的高溫面和低溫面上，分別用于測量高溫面和低溫面的溫度；底盤4與冷卻筒1的開口端固定連接，并封閉冷卻筒1的開口；入水管5貫穿底盤4的中心后伸入冷卻筒1的內(nèi)部深處，且入水管5出口正對測量塊2的低溫面中心，用于注入冷卻水，冷卻水通過入水管5高速噴出，沖擊測量塊2的低溫面形成沖擊冷卻，強化了對流換熱，同時利用水的巨大的相變潛熱，降低水冷式火焰強度測量裝置的整體溫度；出水管6貫穿底盤4的邊緣后伸入冷卻筒1的內(nèi)部淺處，用于排出沖擊后的冷卻水。

上述實施例中，冷卻筒1為不銹鋼圓柱筒，當然，冷卻筒1也可以采用其他形狀。

上述實施例中，測量塊2為304不銹鋼金屬塊，材料能承受1500℃以上高溫，本身就具備較好耐高溫特性；同時低溫面采用高速水流沖擊的方式進行熱防護，在低溫面形成沖擊冷卻，將整個測量塊2的溫度穩(wěn)定在較低水平。

上述實施例中，測量塊2與冷卻筒1的封閉端之間設置有低導熱率的橡膠墊片7。

上述實施例中，熱電偶3采用K型熱電偶，測量上限可達1300℃，可保證熱電偶3在使用的過程中不被燒斷，滿足使用需求。

上述實施例中，入水管5和出水管6與外部冷卻裝置相連接，以水注入作為冷卻水，冷卻水通過外部冷卻裝置進行循環(huán)利用，避免復雜的冷卻流道設計；當然，也可以采用其他的冷卻劑。為了達到更好地效果，可以通過實驗選擇合適的冷卻劑流量。

上述實施例中，冷卻筒1的封閉端和測量塊2外部還設置有防護擋板8，用于將冷卻筒1的封閉端與火焰隔開，防止冷卻筒1燒蝕燒熔；防護擋板8與冷卻筒1的封閉端固定連接，并在正對測量塊2高溫面的位置開設火焰孔81，以方便測量塊2的高溫面接觸火焰。

上述實施例中，冷卻筒1、測量塊2和防護擋板8形成的間隙中還填充有耐高溫的硅酸鋁纖維9，用于儲存冷卻水冷卻防護擋板8。作為一種新型的輕質(zhì)耐火材料，硅酸鋁纖維9的容重輕、耐高溫、熱傳導率低、隔熱性能好；同時，由于硅酸鋁纖維9巨大的比表面積以及大量的網(wǎng)狀多孔結構，使得其具有較好的毛細力和滲透率，在使用時向硅酸鋁纖維9注入冷卻水，由硅酸鋁纖維9作為吸液芯可起到蓄水作用，利用硅酸鋁纖維9儲存的冷卻水可以冷卻防護擋板8，進而提高散熱性能，降低防護擋板8和測量塊2的溫度，對防護擋板8及測量塊2起到良好的熱防護效果。

上述實施例中，硅酸鋁纖維9與測量塊2之間留有一定孔隙，以防止對測量塊2的測量結果產(chǎn)生干擾。

上述實施例中，冷卻筒1與底盤4和防護擋板8之間均通過螺絲固定連接；底盤4與入水管5和出水管6之間通過焊接的方式連接；熱電偶3與測量塊2的高溫面和低溫面之間通過焊接的方式連接。

本發(fā)明的一種水冷式火焰強度測量裝置在使用時，將水冷式火焰強度測量裝置固定在需要測量的火焰位置處，測量塊2的高溫面接觸火焰，從而使火焰沖擊測量塊2的高溫面。入水管5和出水管6與外部冷卻裝置相連接，冷卻水通過入水管5高速噴出，沖擊測量塊2的低溫面形成沖擊冷卻，強化了對流換熱，同時利用水的巨大的相變潛熱，降低水冷式火焰強度測量裝置的整體溫度；沖擊后的冷卻水流入冷卻筒1的空腔中，由于重力作用最后從出水管6中流出。熱電偶3分別用于測量受到火焰沖擊的高溫面和受到冷卻水沖擊冷卻的低溫面的溫度，基于傅里葉導熱定律，通過測量得到的測量塊2的高溫面和低溫面的溫差來計算火焰的熱流密度。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結構、設置位置及其連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。