[發(fā)明專利]一種壁面切應(yīng)力矢量的測(cè)量方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010180082.8
• 申請(qǐng)日: 2020-03-16
• 公開（公告）號(hào): CN111351609A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高南;劉玄鶴;王昊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L11/00
• 分類號(hào): G01L11/00;G01M10/00;G01N11/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

本發(fā)明提供了一種壁面切應(yīng)力矢量的測(cè)量方法，屬于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的壁面切應(yīng)力矢量測(cè)量方法使用的測(cè)量結(jié)構(gòu)由兩個(gè)安裝在壁面上的相互垂直的免標(biāo)定熱膜傳感器構(gòu)成。這兩個(gè)傳感器的尺寸和結(jié)構(gòu)完全相同。傳感器的免標(biāo)定原理采用雙層鎳箔來(lái)阻隔作為敏感元件的熱膜向壁面的熱傳遞的方法實(shí)現(xiàn)。采集這兩個(gè)傳感器的電壓電流并對(duì)兩個(gè)傳感器的發(fā)熱功率加以計(jì)算，結(jié)合兩個(gè)傳感器安裝的位置關(guān)系，可以推算出壁面切應(yīng)力的大小和方向。該方法無(wú)需標(biāo)定即可測(cè)量壁面切應(yīng)力的大小和方向。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種壁面切應(yīng)力的矢量測(cè)量方法，用于測(cè)量流場(chǎng)中壁面的切應(yīng)力的大小和方向。

背景技術(shù)

壁面切應(yīng)力是流場(chǎng)中壁面的重要參數(shù)，它能確定壁面粘性力和壁面附近速度的分布，測(cè)量壁面切應(yīng)力的方法有在壁面上直接測(cè)量方法和測(cè)量與壁面切應(yīng)力相關(guān)的物理量的間接測(cè)量方法。其中，采用熱交換原理的微機(jī)電傳感器在測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在熱交換原理的傳感器中，一種無(wú)需標(biāo)定的壁面切應(yīng)力傳感器可以對(duì)壁面切應(yīng)力的大小進(jìn)行測(cè)量，但該傳感器無(wú)法識(shí)別壁面切應(yīng)力的方向。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種壁面切應(yīng)力矢量的測(cè)量方法，可以測(cè)量流場(chǎng)中壁面切應(yīng)力的大小和方向。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種壁面切應(yīng)力矢量的測(cè)量方法：所述的測(cè)量方法由兩個(gè)尺寸和結(jié)構(gòu)均相同的安裝在壁面上的相互垂直的免標(biāo)定熱膜傳感器構(gòu)成的測(cè)量結(jié)構(gòu)組成。方向范圍在兩個(gè)傳感器之間的待測(cè)壁面切應(yīng)力作用在這種測(cè)量結(jié)構(gòu)上，此時(shí)組成這個(gè)測(cè)量結(jié)構(gòu)的每個(gè)免標(biāo)定熱膜傳感器的電壓和電流與兩個(gè)因素相關(guān)：一是壁面切應(yīng)力的大小，二是壁面切應(yīng)力的方向與免標(biāo)定熱膜傳感器安裝方向的夾角。結(jié)合兩個(gè)免標(biāo)定熱膜傳感器的電壓和電流，得出兩個(gè)傳感器的加熱功率，可以計(jì)算出壁面切應(yīng)力的大小和方向。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)安裝在壁面上的相互垂直的免標(biāo)定熱膜傳感器組成的測(cè)量結(jié)構(gòu)，結(jié)合這兩個(gè)傳感器的加熱功率，即可計(jì)算出測(cè)量結(jié)構(gòu)位置處的壁面切應(yīng)力的大小和方向，僅靠對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)中傳感器電壓和電流的測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量，在使用中不需要對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定，適用于需要測(cè)量壁面切應(yīng)力的大小和方向但又不方便進(jìn)行標(biāo)定的場(chǎng)合。

附圖說(shuō)明

圖1是免標(biāo)定熱膜傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是兩個(gè)免標(biāo)定熱膜傳感器的安裝位置圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

熱交換原理的免標(biāo)定熱膜切應(yīng)力傳感器的示意圖如圖1所示。傳感器由兩片鎳箔和一層聚酰亞胺薄膜構(gòu)成，將兩片鎳箔通電加熱至同一溫度，其中一片鎳箔與流場(chǎng)中的流體直接接觸，與流體熱交換，作為敏感元件。另一片鎳箔安裝在聚酰亞胺薄膜另一側(cè)的對(duì)應(yīng)位置，作為敏感元件的襯底，并使兩片鎳箔工作在同一溫度下。這樣敏感元件向壁面?zhèn)鲗?dǎo)的熱量就可以減小至幾乎為零。這時(shí)熱膜的發(fā)熱功率Q與壁面切應(yīng)力存在以下關(guān)系：

其中根據(jù)換熱理論推導(dǎo)：

其中，Tf是鎳箔溫度，Ta是流體溫度，w是鎳箔寬度，l是鎳箔長(zhǎng)度，k、ρ、Cp、μ分別是流體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容和粘度；

根據(jù)電阻溫度系數(shù)公式，鎳箔的溫度Tf使用以下公式推算出來(lái)：

其中，T_f是鎳箔溫度，T₀是鎳箔在室溫下的溫度，α是鎳的電阻溫度系數(shù)，R₀是鎳箔在常溫下的電阻，R是鎳箔在工作狀態(tài)下的電阻。通過(guò)對(duì)電流的控制和電阻的測(cè)量可以把兩片鎳箔加熱至同一溫度，作為敏感元件的熱膜與壁面的熱傳遞即可忽略。