[發明專利]一種具有寬適用性的瞬態法固壁表面換熱系數測量方法

在審

• 申請號: 202310504083.7
• 申請日: 2023-05-06
• 公開（公告）號: CN116519259A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 王沛;劉軍;杜強;徐慶宗;王鵬飛;柳光;廉曾妍;裴會平;羅一夫;陳大為
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06;G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 北京鍾維聯合知識產權代理有限公司 11579
• 代理人: 原春香

為解決現有常規瞬態法換熱系數測量方法的不足，將測溫手段由窄帶熱色液晶推廣至其他非接觸測溫手段，如紅外熱像儀等，本發明提出了一種具有寬適用性的瞬態法固壁表面換熱系數測量方法，對一維半無限大平板非穩態導熱公式進行了進一步推導，將適用窄帶熱色液晶的定溫測時間的方法進行推廣應用，不限定壁溫測量值，可基于任意時間測得溫度值求得換熱系數。該方法相比窄帶熱色液晶具有更好的通用性，可應用于測溫精度低于窄帶熱色液晶的紅外熱像儀等非接觸測溫設備，且降低了實驗準備和操作難度，并通過提高初始溫差(Tsubgt;m/subgt;?Tsubgt;i/subgt;)和一段時間內多組測量數據的綜合分析，保證換熱系數測量精度，因而更有利于在紅外熱像儀等非接觸測溫技術方面推廣。

技術領域

本發明屬于換熱系數測量技術領域，涉及一種換熱系數測量方法，尤其涉及一種基于瞬態法并具有寬適用性的固壁表面換熱系數測量實驗方法，該方法適用于采用各種非接觸測溫技術在風洞條件下對待測物體表面開展瞬態法換熱系數測量。

背景技術

以地面燃氣輪機、航空發動機等渦輪部件為例，因其工作于高溫燃氣環境，高熱負荷極易導致失效問題，因此需準確評估熱端零件壁面的換熱系數分布，實驗室條件下通常在模化等效工況進行換熱系數測量。換熱系數測量方法有穩態熱通量測量技術、傳質類比技術、瞬態測量方法等。其中瞬態法換熱系數測量方法因實驗周期短、實驗件改動少、測量設備對待測表面無影響、可獲取二維分布、誤差小等優點被廣泛應用。

瞬態法換熱系數測量方法基于一維半無限大物體非穩態導熱原理，介紹如下：如圖1所示，考慮位于半空間x≥0的半無限大物體，其初始溫度為T_i，假定其表面x＝0位置處瞬間暴露于溫度為T_m的流體中，T_m≠T_i。并進一步假定如下兩個條件：(1)導熱僅發生在垂直于壁面的方向(即表面法向，當側向導熱熱流遠小于法向時近似成立)；(2)x＝0表面的對流換熱系數不隨時間變化。則針對該一維半無限大物體，其導熱方程及邊界條件為：

t＝0,T(c,t)＝T_i

可得壁面溫度隨時間變化的關系式如下(其中為互補誤差函數，η為任意實數)：

基于測量原理，結合現有技術中典型的開式平面風洞技術(如圖2所示)，瞬態法換熱系數測量方法的初始條件為待測物體保持均勻溫度T_i，來流溫度瞬間達到T_m，通過測量初始t＝0時刻風洞來流溫度T_m、t＝0時刻待測物體壁面表面溫度T_i、在初始溫差(T_m-T_i)下某時刻壁面溫度T_w和對應時間t，根據一維半無限大物體非穩態導熱計算公式可求得壁面的對流換熱系數h。實現初始溫差(T_m-T_i)可以采用常溫待測物體結合風洞主流瞬間加溫的方法，也可以采用將均勻高溫待測物體瞬間置入常溫風洞的方法。窄帶熱色液晶因為顯色溫度條帶窄、溫度分辨率高，成為瞬態法換熱系數測量方法主要采用的示溫測量手段。以常用的美國HALLCREST公司的R35C1W窄帶熱色液晶為例，標稱起始顯色溫度為35℃，顯色區間為1℃，具有高于其他非接觸測溫手段的溫度分辨率，從而可實現壁面溫度T_w(標稱35-36℃區間)和對應時間t的高精度測量。

由于初始溫差(T_m-T_i)和窄帶熱色液晶測得顯色溫度T_w為實驗設定，已知換熱系數h可通過求解如下隱式方程(2)得到：