本发明属于地面风洞试验的流场校测技术领域，更具体地说，本发明涉及一种长时间测量驻点热流的球头及方法。
背景技术：
高超声速飞行器在大气层中高速飞行时将受到严酷的气动热和气动力载荷，尤其是在驻点区域。为了考核其热防护系统的可靠性，往往需要开展地面试验。电弧加热器是高超声速飞行器热防护系统地面考核的主要设备之一，而热流就是其中最为重要的校测参数之一。目前电弧加热器设备流场中使用的驻点热流测量主要使用塞块量热计球头和戈登计球头，前者缺点是只能用于瞬态测量，无法满足长时间的热流测量需求，而戈登计球头受其不耐压的结构特点影响，仅用于测量较低压力流场的热流。
技术实现要素：
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种长时间测量驻点热流的球头，包括：
防热罩，其具有半球状结构的前端，所述防热罩中设置有测试体和冷却水道，所述冷却水道的进水口和出水口分别连接有冷却进水管和冷却出水管；
所述测试体的前端为球冠状，测试体的后端为圆柱状，且测试体球冠状前端的半径与防热罩半球状结构前端的半径相同；所述述测试体内部设置有测试水水道，所述测试体后端端面设置有测试水进水口、测试水出水口、进水测温孔和出水测温孔，且所述测试水进水口、测试水出水口、进水测温孔和出水测温孔与测试水水道连通，所述测试水进水口、测试水出水口、进水测温孔和出水测温孔在所述测试体同一径向截面位置相互连通；
所述进水测温孔和出水测温孔分别连接有热电偶；所述测试水进水口和测试水出水口内分别连接有测试进水管和测试出水管；
隔热环，其套设在所述测试体的前端；固定筒，其可拆卸连接在所述测试体后端。
所述测试体球冠状的前端表面与防热罩前端半球状结构的表面平滑过渡，无明显台阶。
优选的是，其中，所述隔热环一端端部为刀口状，且刀口状端部的刀口面与所述测试体球冠状前端内表面接触。
优选的是，其中，所述测试体后端圆周设置有外螺纹，所述固定筒设置有内螺纹，所述固定筒与测试体可拆卸连接方式为螺纹连接。
优选的是，其中，所述测试进水口、测试出水口、进水测温孔和出水测温孔均为螺纹孔；所述测试进水管和测试出水管分别与测试进水口、测试出水口为螺纹连接；所述热电偶分别与进水测温孔和出水测温孔为螺纹连接。
优选的是，其中，所述固定筒后端圆周设置有4个方形缺口。
优选的是，其中，所述防热罩设置有安装腔体，所述测试体的前端直径大于后端直径，且测试体位于安装腔体内，所述安装腔体内壁为与测试体前端和隔热环相适配的阶梯型结构。
一种使用球头长时间测量驻点热流的方法，包括以下步骤：
步骤一、将所述球头置于辐射热流标定系统中进行标定，标定方法如下：将待标定的测热球头和标准热流戈登计共同置于相同的均匀热流密度的辐射热源下，调节不少于5个不同的热流状态，并以此记录不同热流状态下待标的测热球头和标准热流戈登计的热流值，以标准热流戈登计测试值为纵轴，测热球头测试值为横轴，进行线性拟合，拟合直线的斜率即为球头的辐射标定系数η1，其中，测热球头测试值的计算方法为：
其中，δm为测试水质量流率，cp为测试水比热，ti和to分别为测试水的进水温度和出水温度，s为所述测试体球冠外表面面积；
步骤二、将所述长球头置于电弧加热流场中进行标定，标定方法如下：将待标定的测热球头和同样半径的塞块量热计球头依次置于同一流场状态的同一测试位置上，调节不少于5个不同的热流状态，并以此记录不同热流状态下待标定的测热球头和塞块热计的热流值，以塞块量热计的热流值为纵轴，测热球头测试值为横轴，进行线性拟合，拟合直线的斜率即为该球头的对流标定系数η2，其中，测热球头测试值计算方法为：
其中，η1为辐射标定系数，通过步骤一辐射热流标定获得；
步骤三、将所述球头固定于测试模型上，并置于高温流场中，通过与所述热电偶连接的温度测量装置测得稳定的进出水温度以及水质量流率后就可根据下式计算驻点热流qs：
其中，η1为辐射标定系数，通过步骤一辐射热流标定获得，主要校准测试体温度测点位置、测试体与防热罩侧向传热等带来的综合误差；η2为对流标定系数，通过步骤二对流比对试验获得。
本发明至少包括以下有益效果：本发明的球头及其热流测量方法，通过将测试体前端设置为球冠状，在测试体外部设置防热罩，并且防热罩中设置冷却水道，能够长时间的测量不同半径球头的驻点热流；本发明通过对球头进行辐射标定和对流标定，具有较高的热流测量精准度。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明提供的长时间测量驻点热流的球头沿测试水进水口和测试水出水口对称轴线剖开的剖面结构示意图；
图2为本发明提供的测试体和隔热环的剖面结构示意图；
图3为本发明提供的防热罩的剖面结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1-3所示：本发明的一种长时间测量驻点热流的球头，包括：
防热罩3，其具有半球状结构的前端，所述防热罩3中设置有测试体1和冷却水道12，所述冷却水道12的进水口10和出水口11分别连接有冷却进水管8和冷却出水管9；
所述测试体1的前端为球冠状，测试体1的后端为圆柱状，且测试体1球冠状前端的半径与防热罩3半球状结构前端的半径相同；所述述测试体1内部设置有测试水水道，所述测试体1后端端面设置有测试水进水口13、测试水出水口14、进水测温孔15和出水测温孔，且所述测试水进水口13、测试水出水口14、进水测温孔15和出水测温孔与测试水水道连通，所述测试水进水口13、测试水出水口14、进水测温孔15和出水测温孔在所述测试体1同一径向截面位置相互连通；
所述进水测温孔15和出水测温孔分别连接有热电偶5；所述测试水进水口13和测试水出水口14内分别连接有测试进水管6和测试出水管7；
隔热环2，其套设在所述测试体1的前端；固定筒4，其可拆卸连接在所述测试体1后端；
所述测试体1球冠状的前端表面与防热罩3前端半球状结构的表面平滑过渡，无明显台阶。
工作原理：装配球头时，将隔热环2从测试体1后端套入，然后将套有隔热环2的测试体1从防热罩3前端插入，再将固定筒4从防热罩3的后端装入，使测试体1与防热罩3牢固固定，同时要保证测试体1球冠状的前端表面与防热罩3半球状结构的表面平滑过渡，无明显台阶，这样设置的目的是为了得到一个完整无台阶、突起的球头前端表面。使用球头进行热流测试前，先将球头置于辐射热流标定系统中进行辐射标定，得到球头的辐射标定系数，然后再将球头置于电弧加热流场中进行对流标定，得到球头的对流标定系数；经过辐射标定和对流标定后，将球头固定于测试模型上，并置于高温流场中，将测试进水管6和测试出水管7连接测试水水源，测试水通过测试进水管6进入测试水水道中，然后由测试出水管7流出测试水水道；同时将冷却进水管8和冷却出水管9连接冷却水水源，冷却水由冷却进水管8流入冷却水道12中，再由冷却出水管9流出；两个热电偶5分别测量测试体1进水测温孔15和出水测温孔的温度，从而得到测试体的进、出水温差，再测量测试水的水流量，结合得到的辐射标定系数和对流标定系数，经过计算可以得到球头的热流测试值。防热罩3用于隔热，防止球头两侧外部热流与测试体1发生热传递，从而使得测试体1可以长时间测量驻点热流。冷却水道通过冷水进水管8通入冷却水，对防热罩3进行冷却，增强隔热效果。固定筒4用于将测试体1固定在防热罩3内。
在上述技术方案中，所述隔热环2一端端部为刀口状，且在装配球头时，要保证隔热环2刀口状端部的刀口面与所述测试体1球冠状前端内表面接触。
在上述技术方案中，所述测试体1后端圆周设置有外螺纹，所述固定筒4设置有内螺纹，所述固定筒4与测试体1可拆卸连接方式为螺纹连接。
在上述技术方案中，所述测试进水口13、测试出水口14、进水测温孔15和出水测温孔均为螺纹孔；所述测试进水管6和测试出水管7分别与测试进水口13、测试出水口14为螺纹连接；所述热电偶5分别与进水测温孔15和出水测温孔为螺纹连接。
在上述技术方案中，所述固定筒4后端圆周设置有4个方形缺口41，方形缺口41便于将固定筒4拧紧在测试体1上，从而达到固定测试体1的目的。
在上述技术方案中，所述防热罩3设置有安装腔体31，所述测试体1的前端直径大于后端直径，且测试体1位于安装腔体31内，所述安装腔体31内壁为与测试体1前端和隔热环2相适配的阶梯型结构。
一种使用本发明提供球头长时间测量驻点热流的方法，包括以下步骤：
步骤一、将所述球头置于辐射热流标定系统中进行标定，标定方法如下：将待标定的测热球头和标准热流戈登计共同置于相同的均匀热流密度的辐射热源下，调节不少于5个不同的热流状态，并以此记录不同热流状态下待标的测热球头和标准热流戈登计的热流值，以标准热流戈登计测试值为纵轴，测热球头测试值为横轴，进行线性拟合，拟合直线的斜率即为球头的辐射标定系数η1，其中，测热球头测试值的计算方法为：
其中，δm为测试水质量流率，cp为测试水比热，ti和to分别为测试水的进水温度和出水温度，s为所述测试体球冠外表面面积；
步骤二、将所述长球头置于电弧加热流场中进行标定，标定方法如下：将待标定的测热球头和同样半径的塞块量热计球头依次置于同一流场状态的同一测试位置上，调节不少于5个不同的热流状态，并以此记录不同热流状态下待标定的测热球头和塞块热计的热流值，以塞块量热计的热流值为纵轴，测热球头测试值为横轴，进行线性拟合，拟合直线的斜率即为该球头的对流标定系数η2，其中，测热球头测试值计算方法为：
其中，η1为辐射标定系数，通过步骤一辐射热流标定获得；
步骤三、将所述球头固定于测试模型上，并置于高温流场中，通过与所述热电偶连接的温度测量装置测得稳定的进出水温度以及水质量流率后就可根据下式计算驻点热流qs：
其中，η1为辐射标定系数，通过步骤一辐射热流标定获得，主要校准测试体温度测点位置、测试体与防热罩侧向传热等带来的综合误差；η2为对流标定系数，通过步骤二对流比对试验获得，因为真正驻点热流仅是球头中心较小区域，而测试体的冠状热感应面较大，其测得热流为整个冠状热感应面的平均热流，所以需要与较小感应面的短时热流传感器(如塞块量热计)进行比对校准。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
1.一种长时间测量驻点热流的球头，其特征在于，包括：
防热罩，其具有半球状结构的前端，所述防热罩中设置有测试体和冷却水道，所述冷却水道的进水口和出水口分别连接有冷却进水管和冷却出水管；
所述测试体的前端为球冠状，测试体的后端为圆柱状，且测试体球冠状前端的半径与防热罩半球状结构前端的半径相同；所述述测试体内部设置有测试水水道，所述测试体后端端面设置有测试水进水口、测试水出水口、进水测温孔和出水测温孔，且所述测试水进水口、测试水出水口、进水测温孔和出水测温孔与测试水水道连通，所述测试水进水口、测试水出水口、进水测温孔和出水测温孔在所述测试体同一径向截面位置相互连通；
所述进水测温孔和出水测温孔分别连接有热电偶；所述测试水进水口和测试水出水口内分别连接有测试进水管和测试出水管；
隔热环，其套设在所述测试体的前端；固定筒，其可拆卸连接在所述测试体后端；
所述测试体球冠状的前端表面与防热罩前端半球状结构的表面平滑过渡，无明显台阶。
2.如权利要求1所述的长时间测量驻点热流的球头，其特征在于，所述隔热环一端端部为刀口状，且刀口状端部的刀口面与所述测试体球冠状前端内表面接触。
3.如权利要求1所述的长时间测量驻点热流的球头，其特征在于，所述测试体后端圆周设置有外螺纹，所述固定筒设置有内螺纹，所述固定筒与测试体可拆卸连接方式为螺纹连接。
4.如权利要求1所述的长时间测量驻点热流的球头，其特征在于，所述测试进水口、测试出水口、进水测温孔和出水测温孔均为螺纹孔；所述测试进水管和测试出水管分别与测试进水口、测试出水口为螺纹连接；所述热电偶分别与进水测温孔和出水测温孔为螺纹连接。
5.如权利要求1所述的长时间测量驻点热流的球头，其特征在于，所述固定筒后端圆周设置有4个方形缺口。
6.如权利要求1所述的长时间测量驻点热流的球头，其特征在于，所述防热罩设置有安装腔体，所述测试体的前端直径大于后端直径，且测试体位于安装腔体内，所述安装腔体内壁为与测试体前端和隔热环相适配的阶梯型结构。
7.一种如权利要求1～6任意项所述的长时间测量驻点热流的球头，其特征在于，使用其长时间测量驻点热流的方法包括：
步骤一、将所述球头置于辐射热流标定系统中进行标定，标定方法如下：将待标定的测热球头和标准热流戈登计共同置于相同的均匀热流密度的辐射热源下，调节不少于5个不同的热流状态，并以此记录不同热流状态下待标的测热球头和标准热流戈登计的热流值，以标准热流戈登计测试值为纵轴，测热球头测试值为横轴，进行线性拟合，拟合直线的斜率即为球头的辐射标定系数η1，其中，测热球头测试值的计算方法为：
其中，δm为测试水质量流率，cp为测试水比热，ti和to分别为测试水的进水温度和出水温度，s为所述测试体球冠外表面面积；
步骤二、将所述长球头置于电弧加热流场中进行标定，标定方法如下：将待标定的测热球头和同样半径的塞块量热计球头依次置于同一流场状态的同一测试位置上，调节不少于5个不同的热流状态，并以此记录不同热流状态下待标定的测热球头和塞块热计的热流值，以塞块量热计的热流值为纵轴，测热球头测试值为横轴，进行线性拟合，拟合直线的斜率即为该球头的对流标定系数η2，其中，测热球头测试值计算方法为：
其中，η1为辐射标定系数，通过步骤一辐射热流标定获得；
步骤三、将所述球头固定于测试模型上，并置于高温流场中，通过与所述热电偶连接的温度测量装置测得稳定的进出水温度以及水质量流率后就可根据下式计算驻点热流qs：
其中，η1为辐射标定系数，通过步骤一辐射热流标定获得，主要校准测试体温度测点位置、测试体与防热罩侧向传热等带来的综合误差；η2为对流标定系数，通过步骤二对流比对试验获得。
技术总结