[發明專利]一種在低氣壓下測量材料熱適應系數的裝置和方法

有效

• 申請號: 202011119908.6
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112415045B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 岳亞楠;鄧書港;高建樹;方宇欣;顧家馨;李忠成;吳昊
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 李煒

1.一種在低氣壓測量材料熱適應性系數的裝置，其特征在于：

包括兩個結構相同、內徑不同的腔室，

所述腔室包括導電細絲(5)、頂蓋(14)、腔室壁(12)和底蓋(15)，形成密封結構；所述腔室內設置有兩個測溫元件；

所述頂蓋(14)上設置有管道(16)；

所述腔室壁(12)徑向設置有第一至第四托桿，均延伸至腔室中心；托桿端頭設置有套環；導電細絲(5)貫穿四個套環；

所述第一托桿和第四托桿中設置有導線；導線外部穿出腔室壁(12)連接到直流電源(11)，內部一端連接到導電細絲(5)；

所述第二托桿和第三托桿中設置有導線；導線外部一端連接到電壓表(10)，內部一端連接到導電細絲(5)；

腔室壁(12)設置有壓強表(9)；

所述測溫元件、壓強表(9)和電壓表(10)均接入到計算機(18)。

2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：所述導電細絲(5)的直徑小于100μm。

3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：所述頂蓋(14)、底蓋(15)與腔室壁(12)之間均設置有密封圈(13)。

4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：所述兩個測溫元件，一個設置于導電細絲(5)上，另一個懸掛于腔室中。

5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：所述套環內徑相同，內壁涂有絕緣涂層。

6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：所述托桿表面噴有絕緣涂層，僅導電細絲(5)與導線導通。

7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：所述管道(16)設置有閥門(17)。

8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于：所述計算機用于采集溫度、壓強和電壓值。

9.利用權利要求1-8任一項所述的裝置低氣壓下測量材料熱適應系數的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)根據稀薄氣體動力學公式計算出達到自由分子區的特征點壓力P₀：

公式中，Kn為克努森數，P為氣體壓力，λ為平均分子自由程，k_B為玻爾茲曼常數，D₁為細絲的直徑，d為氣體分子的直徑，T_m，DF為計算Kn時的有效平均溫度，該平均溫度為導電細絲溫度和環境溫度的平均值，令Kn＝10求出氣體達到自由分子區的特征點壓力P₀；

(2)根據計算出的特征點壓力P₀，使用泵對腔室抽真空，使腔室內氣壓達到P₀以下，處于自由分子區，此時的氣壓值記為P₁；

(3)使用DC直流電源向導電細絲通以階躍電流，并記錄階躍時刻電壓表初始值U₀，待電加熱達到穩態后，測得電壓表的穩定值U₁；

(4)根據U₀和U₁和其他的已知參數可以利用以下公式計算出自然對流換熱系數h：

公式中，h為測量得到的自然對流換熱系數，U₁為電壓表記錄達到新穩態后的電壓穩態值，U₀為所述電壓表獲取階躍電流的階躍時刻對應的電壓初始值，δ為導電細絲材料的電阻溫度系數，Q為所述細絲通以階躍電流峰值達到新穩態后的焦耳發熱功率，L為細絲的長度，S為細絲橫截面的周長，A為細絲橫截面的面積，k_wire為細絲材料的熱導率；

計算出在當前腔室內、當前氣壓下的對流換熱系數h；

(5)根據以下公式：

公式中，D₁為細絲直徑，D₂為柱形腔室內徑，γ為氣體的比熱比，空氣的比熱比一般取1.40，T_m，DF為計算Kn時的有效平均溫度，T_m，FM為自由分子區氣體的有效平均溫度；

當細絲溫度和腔室內環境溫度相近時，T_m，DF≈T_m，FM，即公式中的Nu_free與1/Kn正相關，且相關系數僅與兩個熱適應系數α₁、α₂有關，α₁為氣體與導電細絲5間的熱適應系數，α₂為氣體與腔室內壁面間的熱適應系數；

(6)根據計算得到的對流換熱系數h，利用以下公式計算出自由分子區的努塞爾數Nu_free：

公式中，h為當前腔室內、當前氣壓下的對流換熱系數，D₁為細絲直徑，k_gas為氣體的導熱系數；

根據h計算出努塞爾數，氣壓P₁下的努塞爾數記為Nu_free，1

(7)根據以下公式求出當前氣壓下的克努森數倒數1/Kn：

公式中，k_B為玻爾茲曼常數，D₁為細絲的直徑，d為氣體分子的直徑，空氣的有效直徑一般取0.35納米，當細絲溫升很小時，T_m，DF為細絲溫度和環境溫度的平均值，氣壓P₁下計算出的結果記為1/Kn₁；

(8)多次改變腔室內氣壓，重復步驟(2)～步驟(7)，在氣壓P₁～P_n下對流換熱系數h發生變化，不同的h對應著不同的努塞爾數Nu_free，最終得到多組數據(Nu_free，1，1/Kn₁)～(Nu_free，n，1/Kn_n)；

(9)將相同的細絲材料固定在不同內徑的另一個腔室中重復以上所有步驟，得到不同D₂下的另一組{(Nu_free，1/Kn)}數據；

(10)根據以下公式，利用{(Nu_free，1/Kn)}數據可以繪制出努塞爾數Nu_free關于克努森數倒數1/Kn的關系線：

內徑為D_2窄和D_2寬的兩個腔室內實驗可以獲得兩組數據{(Nu_free，窄，1/Kn_窄)}和{(Nu_free，寬，1/Kn_寬)}，以得到不同斜率的兩條關系線，記兩條關系線的斜率分別為k_窄和k_寬，由于細絲溫升足夠小，那么斜率k_窄和k_寬寫成如下形式：

求出方程解α₁和α₂：

即得到氣體與細絲表面間的換熱系數α₁和氣體與腔室內壁面間的換熱系數α₂。