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申请/专利权人：北京航空航天大学

摘要：本发明属于高温流场测试技术领域，具体涉及一种测量亚音三维流场的发汗冷却式高温水冷双孔动态压力探针，由探针支杆、探针头、套管、安装座、定位孔、冷却水进水管、冷却水出水管、线缆、发散壁面、冲击壁面、限流壁面、周向分隔挡板、动态压力传感器等组成。冷却水通过进水管进入探针，对探针头进行冲击冷却后，一部分沿径向渗透至发散壁面表面对探针进行发汗冷却，另一部分未渗透部分通过对流换热吸升温后沿着轴向流出探针。探针头的圆柱面和斜切面各设一个测压孔，可实现三维流场测量。本发明的优点在于采用发汗冷却大幅提高了探针冷却效率，并对探针头也进行冷却，提高了探针在极端高温环境最高达2500℃下的工作寿命和测量结果的可靠性。

主权项：1.一种测量亚音三维流场的发汗冷却式高温水冷双孔动态压力探针，包括探针支杆1、探针头2、套管3、安装座4、定位孔5、冷却水进水管6、冷却水出水管7、线缆8、周向分隔挡板9、第一壁面—发散壁面10、第二壁面—冲击壁面11、第三壁面—限流壁面12、第四壁面—探针支杆外壁面13、动态压力传感器18以及若干扰流柱14、发散孔15、冲击孔16、限流孔17；其特征在于：探针头2位于探针支杆1前端部，探针头2包括共底面圆柱体和半球斜切体部分，且其内部独立封装2个动态压力传感器18，套管3装于探针支杆1外部，安装座4装于套管3上，安装座4上设有定位孔5，冷却水进水管6和线缆8均装于探针支杆1内，冷却水出水管7装于套管3上、安装座4后方，线缆8装于探针支杆1内、沿周向分别布置在冷却水进水管6外围；探针支杆1为双层结构，内层与冷却水进水管6连通作为冷却水进水流道，外层被周向分隔挡板9分为六个腔室，前侧和后侧分别安放有2个动态压力传感器18和对应的线缆8，各个腔室和第三冷却流道一起作为冷却水的回路；探针支杆1外径可取2毫米至5毫米，对应套管3外径可取4毫米至10毫米，二者焊接为一个整体，冷却水进水管6管径为1毫米至2毫米；探针头2为探针顶部距端面轴向长度为3倍探针支杆1外径的圆柱体部分，探针头部2由共底面的圆柱体端部和半球形斜切体组成，斜切体直径与套管外壁面直径相同，斜切面与水平面的夹角可为30°至60°；在探针头2部分的圆柱表面开1号测压孔21、半球形斜切体斜切面上开2号测压孔22，且2号测压孔22位于1号测压孔21正下方，两测压孔圆心竖直距离为3毫米至10毫米，探针头部2的2个测压孔分别与2个动态压力传感器18连通并通过线缆8将信号引出探针，其中1号测压孔21与1号压力传感器181和1号线缆81对应、2号测压孔22与2号压力传感器182和2号线缆82对应，测压孔的直径为0.6毫米至1.5毫米；在探针头部2，距离1号测压孔21的圆柱表面3倍测压孔直径范围内不开发散孔15，2号测压孔22所在斜切面不开发散孔，以避免蒸发冷却产生的蒸汽对测压孔造成干扰，其余表面开发散孔15，利用半球形斜切体的半球形表面发汗冷却和冷却水进水管6产生的冲击冷却对探针头2进行冷却；套管3为三层结构，包括第一壁面—发散壁面10、第二壁面—冲击壁面11、第三壁面—限流壁面12，第一壁面10、第二壁面11之间形成第一冷却通道；所述第二壁面11、第三壁面12之间形成第二冷却通道；第三壁面和探针支杆外壁面13之间形成第三冷却通道，上述三条冷却通道为冷却水渗透流道；安装座4可为跑道形或其他适合特定测量场合固定的形状，安装座4厚度可取2毫米至5毫米，安装座4上开有两个或适合其他特定测量场合的多个定位孔5，定位孔5直径可取2毫米至3毫米；在冷却水进水管6外壁面至第一壁面10之间周向均匀设置6个周向分隔挡板9以减小重力对于冷却水不均匀分布的消极影响，周向分隔挡板贯穿第二壁面11、第三壁面12、第四壁面13,将第一冷却通道、第二冷却通道、第三冷却通道和冷却水回水通道沿周向分隔成为6个独立的冷却区域，6个冷却水回流通道分别与6个独立冷却区域一一对应；冷却水出水管7与冷却水主回路连通，及时排出探针内温度升高到一定程度但未能进入探针支杆外壁面13和限流壁面12之间的第三流道的冷却水，即通过流动的冷却水对流换热进一步吸收发汗冷却过程未能完全吸收的部分热量，进而更好的保护动态压力传感器8；第一壁面10表面开S形圆柱发散孔15，沿周向均匀分布，轴向周期交错分布，形成均匀密布发散孔的发散壁面10，发散孔15贯穿第一壁面10，冷却水从发散孔中渗出，形成液膜蒸发冷却套管3外壁面；发散孔15为S形圆柱孔，以防止供水压力过大时，冷却水快速溢出而影响测量精度，发散孔15直径可取0.05毫米至0.15毫米，其折线轴中的两段倾斜线与探针支杆径向和水平方向夹角均在30°至60°之间；第二壁面11表面均布冲击孔16，冲击孔16连通第一冷却通道与第二冷却通道，冷却水从第二冷却通道穿过第二壁面11进入第一冷却通道，并对第一壁面10进行冲击冷却，所述冲击孔16为直孔，轴向交错周期分布于第二壁面-冲击壁面11上，冲击孔16直径为0.1毫米至0.3毫米；第三壁面12表面周向均匀设置若干组限流孔17，由于探针支杆1不同的轴向位置所处的热环境可能有所差异，所需的流量也有所差异，可根据探针所处的热环境在探针支杆1轴向的不同位置开设不同数量的限流孔17以控制进入不同位置的冷却水流量，从而控制不同位置处的冷却效果，限流孔17直径可为0.2毫米至0.4毫米；第一冷却通道内设有扰流柱14，周向均匀分布，轴向交错周期分布，形成均匀密布的扰流柱群，扰流柱14上、下端面固连第一壁面10与第二壁面11，以强化整体的换热性能，扰流柱14直径可为0.1毫米至0.2毫米；本发明探针能以双孔探针测量三维流场，在实际测量时，通过旋转探针或多次测量可以获得不同偏转角上的压力数据，通过拟合曲线得出探针的偏转角标定曲线，同时，定义俯仰角系数为： 上式中Cpp为俯仰角系数，P1为1号测压孔21测得的压力，P2为2号测压孔22测得的压力，P1,max+40为1号测压孔21对应最大压力位置正向偏转40°时测得的压力，P1,max-40为1号测压孔21对应最大压力位置反向偏转40°时测得的压力；本发明探针可根据实际高温流场温度范围选择合适的发散孔15布局参数，根据测试环境压力选择合适的冷却水供水压力，通过冷却水对流换热冷却、冲击冷却和蒸发吸热冷却三种冷却方式的合理结合，有效提升了探针的冷却效果，并利用冲击冷却结合发汗冷却的方式对探针头2部分进行有效冷却，能大幅提高高温、强非定常流场中压力探针的动态响应能力和工作温度上限最高可达2500℃。

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