[发明专利]高超声速溢流液膜冷却膜厚测量实验系统及数据处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器热防护领域，特别是涉及一种高超声速条件下形成溢流液膜并对其厚度进行测量的实验系统及其数据处理方法。

背景技术

高超声速飞行器飞行过程中面临着严酷的热环境，飞行器机翼和尾翼的前缘、发动机进气道前缘、局部突起物以及观察窗等曲率半径较小的前缘部位的热防护效果成为限制飞行器发展的瓶颈，需结合主动冷却技术提高热防护系统的防热性能。

目前新出现的溢流液膜冷却是一种新型的主动冷却方案，冷却液以溢流的方式流出，而后在物体表面摩阻的作用下展布成液膜，形成热缓冲层隔离外部的高温气体，液膜的蒸发过程还可进一步降低物面热流，从而有效保护飞行器。在溢流液膜冷却实验研究中，液膜厚度是最基本的特征参数，是研究冷却机理和评估冷却性能的关键参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在高超声速条件下形成溢流液膜并对其厚度进行测量的实验系统及其数据处理方法。

特别地，本发明提供一种高超声速溢流液膜冷却膜厚测量实验系统，包括：

检测装置，对溢流液膜厚度进行测量，包括：

激励源，包括产生电导探头所需激励信号的信号发生单元，和控制激励信号频率的频率选择单元，以及控制激励信号类型的波形选择单元；

激励信号扩展单元，接受所述激励源的激励信号，并产生频率、相位、幅值完全相同的激励信号进行输出；

测量回路，接收所述激励信号扩展单元输出的激励信号，再将测量结果输出，包括电导探头和与电导探头相联的自平衡电桥；

空载回路，利用自平衡电桥接收所述激励信号扩展单元输出的激励信号,其输出信号为测量过程中的电磁干扰信号；

差分放大单元，包括同相比例放大器和差分比例放大器，接收所述测量回路和空载回路的信号并经过放大和差分处理后扣除电磁干扰信号；

调零单元，用于控制差分放大单元的放大倍数，以消除电子元器件参数差异带来的影响；

数据采集单元，采集所述差分放大单元中符合指定要求的输出信号；

数据处理单元：用于接收所述数据采集单元的输出信号并检测输出信号的峰谷值，根据峰谷值得到液膜厚度；

标定装置，用于对电导探头的响应特性进行标定，包括：

基座；

测量架，安装在所述基座上，为U形且开口朝向水平方向；

水槽，水平安装在所述测量架的下支座上，带有容纳液体的凹槽，在底部设置有安装所述电导探头的通孔；

螺旋测微杆，安装在所述测量架的上支座上且与所述水槽垂直；

调节块，安装在所述螺旋测微杆靠近所述水槽的一端且与所述水槽平行；

注入装置，与实验模型的溢流孔相连，用于将冷却剂注入到模型表面形成液膜，包括：

储液器，用于存储冷却剂；

高压气源，用于推动所述储液器内的冷却剂输出；

调压单元，安装在所述高压气源上，用于控制所述高压气源输入至所述储液器内的高压气体压力；

电磁阀，安装在所述储液器的输液管路上，用于精确控制冷却剂注入时间；

截止阀，安装在输液管路上所述电磁阀的下游，用于截止输液管路的通断；

控制器，用于控制所述电磁阀的开启与关闭。

流量调节单元，用于控制冷却剂的流量。

在本发明的一个实施方式中，所述激励信号扩展单元由两个并接的电压跟随器构成，两个电压跟随器的性能参数一致，以分别为所述空载回路和所述测量回路提供相同的激励信号。

在本发明的一个实施方式中，在所述差分放大单元上还连接有调零单元，所述调零单元在液膜厚度为零时使输出信号幅值为零。

在本发明的一个实施方式中，所述数据采集单元采集所述差分放大单元的输出信号时，采集频率至少不低于激励信号频率的10倍，系统带宽不低于激励信号频率的2倍。

在本发明的一个实施方式中，所述水槽的通孔孔位中心到所述凹槽边缘的距离至少为电导探头直径的两倍，所述水槽的凹槽深度至少为所述调节块厚度的两倍。

在本发明的一个实施方式中，所述螺旋测微杆包括与所述测量架固定的调节筒，安装在调节筒内的调节杆，调节调节杆升降的调节螺栓，以及将所述调节杆锁定在调节后位置的锁定装置。

在本发明的一个实施方式中，在所述基座上安装有调节所述基座水平的基座调节装置，所述基座调节装置有四个且分别安装在所述基座底部的四个对称位置处，包括两端带有相反螺纹的螺杆，和分别拧在螺杆两端实现支撑和固定作用的套筒；