[發明專利]一種采用瞬態熱膜法測量流體導熱系數的裝置及求解方法和測量方法

有效

• 申請號: 201610825261.6
• 申請日: 2016-09-14
• 公開（公告）號: CN106483162B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 趙小明;姚傳奇
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 王霞

技術領域

本發明屬于流體熱物性研究技術領域，具體涉及一種采用瞬態熱膜法測量流體導熱系數的裝置及求解方法和測量方法。

背景技術

在現有的流體導熱系數的測量方法中，瞬態熱線法是世界上公認的測量流體導熱系數最準確的方法之一。由于瞬態熱線法中的熱線要求直徑較細，長度較長，通常由直徑十幾微米的金屬絲構成，因此在實驗操作過程中極易斷裂。為了克服此缺點，在瞬態熱線法的基礎之上，1997年由日本九州大學M.Fujii等人提出了瞬態短絲法。借助于數值計算工具，瞬態短絲法可以采用長度較短的細金屬絲來構成熱線，然而由于其長度較短，為了獲得一定的電阻值，所使用的金屬絲的直徑基本在十微米以下，仍然難以避免在實驗操作過程中的熱線斷裂問題。并且瞬態熱線法和瞬態短絲法由于熱線的易斷裂性，在導熱系數測量儀器領域，至今未能獲得像平面熱源法(HOT DISK)那樣商業化的大規模應用。

發明內容

為了解決瞬態熱線法和瞬態短絲法中都存在的熱線較細容易斷裂的問題，本發明提供了一種采用瞬態熱膜法測量流體導熱系數的裝置及求解方法和測量方法，該方法操作簡單，計算方便，能夠保證測量精度；該裝置結構設置合理，使用方便。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種采用瞬態熱膜法測量流體導熱系數的裝置，包括柱狀絕緣基體，在柱狀絕緣基體的圓周表面鍍有金屬導電膜，柱狀絕緣基體兩端采用銅柱引出四根與測試系統相連的導線；測量時，鍍有金屬導電膜的柱狀絕緣基體浸沒于被測流體中。

所述柱狀絕緣基體材料采用石英，長度為30mm，直徑為1mm；金屬導電膜材料采用鉭，鉭膜厚度為100nm，通過磁控濺射鍍膜。

一種采用瞬態熱膜法求解流體導熱系數的方法，包括以下步驟：

(1)建立物理實驗模型

物理實驗模型包括柱狀絕緣基體，在柱狀絕緣基體的圓周表面鍍有金屬膜，柱狀絕緣基體兩端采用銅柱引出四根與測試系統相連的導線；測量時，鍍有金屬膜的柱狀絕緣基體浸沒于被測流體中；

針對上述物理實驗模型，作出以下4個實驗假定：

1)絕緣基體的物性隨溫度的變化已知；

2)金屬導電膜的熱功率引起的溫度變化幅度小，物性在此溫度范圍內不變；

3)金屬導電膜的兩端和被測流體的邊界溫度保持恒定；

4)金屬導電膜極薄，膜內的單位體積熱功率恒定，不隨溫度的變化而變化；

該物理實驗模型具有對稱性，針對模型四分之一區域所對應的控制方程和單值性條件如下：

邊界條件為：

T|_r＝R＝T₀(3)

T|_z＝0＝T₀(4)

初始條件為：

T|_t＝0＝T₀(7)

物性參數條件為：

式中：r₀表示柱狀絕緣基體的半徑，r₀到r₁表示金屬導電膜的厚度，R表示被測流體的外邊界，H表示整個圓柱空間的高度，q表示金屬導電膜內單位長度的熱功率，下標s表示柱狀絕緣基體，下標m表示金屬導電膜，下標f表示被測流體；

(2)數值求解

由于方程(1)中的物性參數僅在徑向發生變化，在軸向保持不變，因此在z方向采用有限傅里葉變換，如下：

逆傅里葉變換為：

將方程(1～9)利用方程(10)進行傅里葉變換，假設沿z方向物性不變，變換結果如下：

經過傅里葉變換之后，采用有限容積法對方程(13)離散，方程的左邊非穩態項采用全隱格式，右邊的第一項采用中心差分格式，第二項-λm_n²_T_n按照隱式源項格式處理，第三項Q/m_n按照顯式源項處理；對于不同的n值，離散的結果為一個三對角矩陣，采用TDMA算法直接解出離散方程的解；

在獲得一系列的值之后，通過逆傅里葉變換，即可獲得計算區域內任意位置處的溫度，如下：