一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置

本发明属于试验装置领域，具体涉及一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置。

背景技术：

1、目前在航空航天领域，高速飞行器在高马赫飞行过程中，不仅伴随着复杂的载荷作用，而且还伴随着高温的热环境，这使得高速飞行器要在保证承载性能的同时，更要保证其优异的热防护性能，点阵夹层结构因其较高的比强度、比刚度以及较高的孔隙率，成为承载/热防护一体化设计的较优选择，而热防护设计中包含隔热和对流传热性能两方面，对点阵夹层结构进行隔热与对流传热性能试验有一定的必要性，是其热防护性能测试中的关键。

2、目前，利用对流传热来研究不同点阵夹层结构的对流传热性能的试验装置少之又少，其隔热性能也是寥若晨星，点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置更是绝无仅有；具体地，现有的试验装置不能完成对点阵结构的隔热性能试验；在对点阵结构的对流传热性能试验时，也只能对样件的单侧壁进行加热，若需要切换加热面，只能等待设备自然冷却后拆装颠倒零件方向重新安装，非常浪费时间且步骤繁琐；并且在对点阵夹层结构隔热与对流传热试验时，由于某些情况对点阵夹层结构优化设计后，点阵夹层结构内部由上到下，并不是均匀分布的，存在一定的各向异性，因此，对点阵夹层结构双面同时加热，可用以探究点阵夹层结构在双壁面同时受热时的对流传热能力，对点阵夹层结构的热防护性能研究具有深远的意义；另外现有的装置还不能实时监测试验过程中样件上、下壁面温度，不能测量试验进出口的压降，无法直观监测环境的稳态情况，也就难以保证理想情况的定壁温加热条件，试验数据不够精准可靠。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，克服了现有试验装置对点阵夹层结构无法进行隔热试验、加热面受热不均匀、无法进行双面加热、无法测量进出口压降和温差等问题，使点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验结果精准可靠。

2、为实现上述目的，本发明的一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，包括样件冷却系统、恒温加热控制系统、气体质量控制系统和温度测量系统；其中，所述样件冷却系统包括氧化铝陶瓷空气流道、不锈钢空气流道和气体流道支承件，所述氧化铝陶瓷空气流道固定于不锈钢空气流道中间，所述气体流道支承件分别支撑于不锈钢空气流道两端；所述恒温加热控制系统包括氧化铝陶瓷加热片和温控箱，所述氧化铝陶瓷加热片固定于氧化铝陶瓷空气流道周向表面，所述温控箱与氧化铝陶瓷加热片相连；所述气体质量控制系统包括气泵、气体流速阀、气体流量阀和气体流量计，通过软管依次相连，所述气体流量计与不锈钢空气流道的一端连通；所述温度测量系统包括进气口测温孔、出气口测温孔、热电偶温度计和无纸记录仪，所述进气口测温孔和出气口测温孔分别设于不锈钢空气流道两端的表面上，所述无纸记录仪通过热电偶温度计分别与进气口测温孔和出气口测温孔相连。

3、进一步地，所述氧化铝陶瓷空气流道的末端设有轴向固定台阶，所述氧化铝陶瓷空气流道通过侧面抽拉的方式装入点阵夹层结构样件。

4、进一步地，所述氧化铝陶瓷加热片的长度大于点阵夹层结构样件壁面的长度，所述氧化铝陶瓷加热片的宽度大于点阵夹层结构样件壁面的宽度。

5、进一步地，所述氧化铝陶瓷空气流道内表面和/或外表面用耐高温导热硅脂涂抹。

6、进一步地，所述不锈钢空气流道内的两端分别设有均流板与均温板，所述均流板设在靠近气体流量计的一端，所述均温板设在远离气体流量计的另一端。

7、进一步地，还包括流阻测量系统，所述流阻测量系统包括测压孔和u型压差计，所述测压孔分别置于靠近氧化铝陶瓷空气流道两端的不锈钢空气流道表面上，两个所述测压孔之间连接有u型压差计。

8、进一步地，将两片所述氧化铝陶瓷加热片分别置于氧化铝陶瓷空气流道的上表面和下表面，并分别与所述温控箱相连。

9、进一步地，所述温控箱采用智能数显温控箱。

10、进一步地，所述不锈钢空气流道和/或氧化铝陶瓷空气流道采用增材制造技术加工制造。

11、本发明的有益效果为：

12、（1）本发明装置可实现点阵夹层结构的隔热试验，当试验系统不导入空气时，对点阵夹层结构样件的单侧壁面进行加热，通过热电偶温度计记录另一侧壁面的实时温度，当达到稳态时，计算平均温度，从而达到对点阵夹层结构隔热性能进行试验的目的。

13、（2）本发明装置还可实现点阵夹层结构的对流传热试验，当试验装置导入空气时，空气流经点阵夹层结构样件，使其与空气进行充分地对流传热，达到对点阵夹层结构样件进行对流传热的目的；试验装置可以自由调节气体流量与加热温度，对热控/承载一体化结构试验验证具有重要实用价值。

14、（3）本发明装置实现了点阵夹层结构隔热试验与对流传热试验采用一体化结构装置，不通入空气时，对点阵夹层结构样件一壁面加热，对另一壁面测量温度，进行其隔热性能试验；通入空气时，在对样件加热的同时，使冷却空气流经样件，对样件进行对流传热性能试验。本装置功能多样，节约了试验成本，操作简单，试验数据可靠。

15、（4）本发明装置通过测量不锈钢空气流道内的空气的温度，代替传统试验中直接对样件壁面进行温度测量，使试验数据更加准确。

16、（5）本发明装置的氧化铝陶瓷空气流道通过侧面抽拉的方式装入点阵夹层结构样件，并在末端设置了轴向固定台阶；通过设置多个氧化铝陶瓷加热板，可实现对点阵夹层结构样件多壁面单独加热或同时加热，在安装好装置后可以自由调节，无需拆卸，对点阵夹层结构样件加热壁面的选择与调节试验更加便捷。

17、（6）本发明装置中氧化铝陶瓷加热片的长度和宽度都大于点阵夹层结构样件壁面的长度和宽度，以保证加热时点阵夹层结构样件壁面可以均匀、完整地受热。

18、（7）本发明装置中温控箱采用智能数显温控箱，可以实现较大范围内精度较高的恒温加热。

19、（8）本发明装置中设有流阻测量系统，在空气流经点阵夹层结构样件的进出口处设置测压孔，与u型压差计相连，可实时监测气体流经样件的进出口压降，当达到稳态时，记录点阵夹层结构样件的加热面温度与加热温度，保证了试验数据的可靠性。

20、（9）本发明装置中在不锈钢空气流道入口处设置均流板，以保证气体在不锈钢空气流道内均匀分布，在不锈钢空气流道出口处设置均温板，减小不锈钢空气流道出口处温度测量误差。

21、（10）本发明装置中在氧化铝陶瓷空气流道内表面和/或外表面用涂抹耐高温导热硅脂，在增强密封性的同时，提高氧化铝陶瓷加热片对点阵夹层结构样件的加热效率。

22、（11）本发明装置的不锈钢空气流道和/或氧化铝陶瓷空气流道采用增材制造技术加工制造。

技术特征：

1.一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，其特征在于，包括样件冷却系统、恒温加热控制系统、气体质量控制系统和温度测量系统；其中，

2.根据权利要求1所述的一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，其特征在于，所述氧化铝陶瓷空气流道的末端设有轴向固定台阶，所述氧化铝陶瓷空气流道通过侧面抽拉的方式装入点阵夹层结构样件。

3.根据权利要求2所述的一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，其特征在于，所述氧化铝陶瓷加热片的长度大于点阵夹层结构样件壁面的长度，所述氧化铝陶瓷加热片的宽度大于点阵夹层结构样件壁面的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，其特征在于，所述氧化铝陶瓷空气流道内表面和/或外表面用耐高温导热硅脂涂抹。

5.根据权利要求1所述的一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，其特征在于，所述不锈钢空气流道内的两端分别设有均流板与均温板，所述均流板设在靠近气体流量计的一端，所述均温板设在远离气体流量计的另一端。

6.根据权利要求1所述的一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，其特征在于，还包括流阻测量系统，所述流阻测量系统包括测压孔和u型压差计，所述测压孔分别置于靠近氧化铝陶瓷空气流道两端的不锈钢空气流道表面上，两个所述测压孔之间连接有u型压差计。

7.根据权利要求1所述的一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，其特征在于，将两片所述氧化铝陶瓷加热片分别置于氧化铝陶瓷空气流道的上表面和下表面，并分别与所述温控箱相连。

8.根据权利要求1所述的一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，其特征在于，所述温控箱采用智能数显温控箱。

9.根据权利要求1所述的一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，其特征在于，所述不锈钢空气流道和/或氧化铝陶瓷空气流道采用增材制造技术加工制造。

技术总结
本发明提出了一种点阵夹层结构隔热与对流传热一体化试验装置，包括样件冷却系统、恒温加热控制系统、气体质量控制系统和温度测量系统；样件冷却系统包括氧化铝陶瓷空气流道、不锈钢空气流道和气体流道支承件；氧化铝陶瓷空气流道固定于不锈钢空气流道中间；恒温加热控制系统包括氧化铝陶瓷加热片和温控箱；温控箱与氧化铝陶瓷加热片相连；气体质量控制系统包括气泵、气体流速阀、气体流量阀和气体流量计；温度测量系统包括进气口测温孔、出气口测温孔、热电偶温度计和无纸记录仪；不锈钢空气流道两端分别设有进气口测温孔和出气口测温孔。本试验装置实现了点阵夹层结构隔热试验与对流传热试验一体化结构，其功能多样，操作简单，试验数据可靠。

技术研发人员：郝博,张钰,汪万炯,赵玉欣,朱枳名
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16