一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法技术

本发明专利技术涉及测量技术领域，特涉及一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法。本发明专利技术通过低导热系数的有机玻璃板来模拟一维半无限大的平板，通过热电偶记录下气流温度随时间的变化过程，通过CCD相机记录下壁面温度随时间的变化过程，最后通过迭代求解解析解的方程，得到壁面的对流换热系数。本发明专利技术解决了稳态实验时间长，耗费大量人力物力等技术缺陷，可快速实现壁面的对流换热系数的测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及测量
，特涉及一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，特别是应用于涡轮叶片内冷通道、冲击冷却靶面等模型实验中的对流换热系数的测试方法。
技术介绍
在以往的流动换热实验研究中，使用较多的是稳态实验方法，比如铜块加热法、薄膜加热法等应用的都比较成熟。由于其原理简单，实现起来比较容易，所以一直是人们获得壁面换热系数的主要手段，但是稳态方法也存在着自身不可避免的缺陷。对于一个流动换热的过程来说，流动的稳定是十分迅速的，而换热的稳定却是一个非常缓慢的过程，往往需要几十分钟甚至几个小时，这就使得稳态方法的实验时间较长，需要耗费大量的人力和物力。并且某些复杂的表面很难提供等热流边界条件。相比于稳态实验测量对流换热系数，瞬态实验具有非常大的优势。其核心思想都是利用一定条件下的瞬态传热过程的解析解(通常表示成物体温度与时间、物性参数以及换热特性参数的函数关系)，与实验获得瞬态过程的温度变化(即温度-时间的曲线)进行对比，从而获得所需要的换热特性参数。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法。本专利技术采用瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，该方法是基于一维半无限大平板的基本假设，通过理论分析得到其非稳态导热过程的解析解。在实验过程中，通过低导热系数的有机玻璃板来模拟一维半无限大的平板，通过热电偶记录下气流温度随时间的变化过程，通过CCD相机记录下壁面温度随时间的变化过程，最后通过迭代求解解析解的方程，得到壁面的对流换热系数。本专利技术解决了稳态实验时间长，耗费大量人力物力等技术缺陷，可快速实现壁面的对流换热系数的测量。本专利技术的技术方案：一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，包括对瞬态液晶进行标定的步骤和测量的步骤，其特征在于：所述的对瞬态液晶进行标定的步骤包括如下步骤：标定步骤1、在铜块表面喷涂黑漆，然后在黑漆表面喷涂上一层瞬态液晶，使CCD相机和冷光源正对铜块表面，微调加在加热丝上的电压，经长时间的稳定后，使铜块的温度处在30℃-50℃之间，温度值用热电偶测得，通过CCD相机拍下此时液晶表面的照片，获得液晶显现红色时色度值；标定步骤2、将温度值T与色度值的对应关系拟合成经验关系式；测量的步骤包括如下步骤：测量步骤1、流动通道四周以及底部由绝热材料围绕，流动通道上方分别依次设置黑漆、瞬态液晶、有机玻璃板，其中黑漆、瞬态液晶的厚度、型号和标定过程中完全相同，在流动通道底部的绝热材料设置冲击孔，冲击孔旁设置热电偶，冲击孔与气源连接；并在绝热材料旁边布置一个秒表，CCD相机和冷光源正对有机玻璃板表面，采集系统与CCD相机相连，采集系统用于采集图像和数据处理；测量步骤2、打开采集系统及数据采集程序，打开气源，调节通过冲击孔的流量，使整个系统的流动状态保持稳定，气流温度通过热电偶测量，整个系统在室温的状态下达到热平衡状态；打开数据采集程序通过热电偶对气流温度进行采集；打开CCD相机对瞬态液晶图像进行录像；在某一时刻突然改变气流温度，使气流温度迅速升高；LED指示灯同步亮起，并通过数据采集程序及热电偶记录下温度随时间的变化数据。根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：所述的标定步骤1中，铜块的厚度为5mm，铜块的表面积小于4平方厘米，所述的黑漆的厚度低于20μm，所述的瞬态液晶厚度低于5μm，所述的瞬态液晶和黑漆的喷涂采用气动美工喷笔，喷嘴直径为0.3mm，所述的黑漆和瞬态液晶的喷涂采用多次喷涂的方式，相邻两次喷涂过程的喷枪走向为垂直正交走向。根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：所述的测量步骤1中有机玻璃板的厚度为10mm，其表面积与标定过程中铜块的表面积一致。根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：还包括进行数据处理的步骤，数据处理时首先将实验中所采集的视频录像文件逐帧输出为图片序列，图片名称为0.jpeg，1.jpeg，……，n.jpeg，根据照片上的LED指示灯对应的时间确定加热开始时刻所对应的照片序号i.jpeg。根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：还包括获得了实验区域内坐标位置的步骤，具体方位为按顺序逐张扫描照片中的实验区域内色度值5≤hue≤10所在的像素点的坐标(x,y)及对应的图片序号。根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：还包括利用公式求解换热系数的步骤，包括以下两个公式其中，n＝j-i，Tc(τi)为i时间的热电偶采集的温度值；T0为热平衡状态时热电偶7采集的温度值；ρ为气流密度，c为气流比热，λ为气流导热系数，该三个参数均为常量，可以测量，β为未知数。根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：所述的β根据公式3获得，其中β的范围是0≤β＜3.546。本专利技术的有益效果是：与稳态实验测量对流换热系数的方法相比，本专利技术能在很大程度上解决目前稳态实验耗时长、精度低等问题，可以在60秒内完成对表面对流换热系数的测量，大大降低了实验人员的时间，同时节约了实验费用，降低了实验成本。采用牛顿迭代法求解换热系数h，可以使换热系数的误差低于0.3％，提高了测量的精度和准确性。附图说明图1是本专利技术的瞬态液晶标定装置示意图；图2是本专利技术的实验过程样品测试的布置图；图3为β的求解流程图。附图标记说明：CCD相机1、冷光源2、瞬态液晶3、黑漆4、铜块5、加热丝6、热电偶7、冲击孔8、绝热材料9、秒表10、有机玻璃板11、采集系统12、LED指示灯13。具体实施方式名称解释：瞬态液晶是一种在一定温度范围内，可以在不同温度下，显现不同颜色的液晶。下面结合附图详细说明本专利技术技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。本专利技术的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，可用于平板流动通道内的对流换热系数的测量，也可以使用与带有弧形不规则表面的对流换热系数的测量。该方法利用了瞬态液晶在不同温度下显示不同颜色的特点，通过突然改变气流的温度，使得被测表面的液晶随时间发生变化，利用图像采集系统记录下液晶的变化过程，通过单色液晶捕捉技术以及基于一维非稳态导热方程的反问题求解算法获得被测量表面的对流换热系数。该方法的步骤如下(见图1和图2)：首先，对瞬态液晶进行标定，获得瞬态液晶温度值T与色度值hue的对应关系拟合成经验关系式，标定过程包括如下步骤：标定步骤1、在铜块5表面喷涂黑漆4，然后在黑漆表面喷涂上一层瞬态液晶3，铜块5的厚度选取5mm最佳，铜块5的表面积小于4平方厘米，这样可以使得整个铜块的温度均匀，保证标定的准确。黑漆4的厚度低于20μm，瞬态液晶厚度低于5μm。瞬态液晶3和黑漆4的喷涂采用气动美工喷笔，喷嘴直径为0.3mm。黑漆4和液晶3的喷涂都要采用多次喷涂的方式，相邻两次喷涂过程的喷枪走向为垂直正交走向，这样可以充分的保证黑漆4和液晶3的均匀性，利于测温的准确。CCD相机1和冷光源2正对铜块表面。微调加在加热丝6上的电压，经长时间的稳定后，使得整个铜块5的温度处在30℃-3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，包括对瞬态液晶进行标定的步骤和测量的步骤，其特征在于：所述的对瞬态液晶进行标定的步骤包括如下步骤：标定步骤1、在铜块表面喷涂黑漆，然后在黑漆表面喷涂上一层瞬态液晶，使CCD相机和冷光源正对铜块表面，微调加在加热丝上的电压，经长时间的稳定后，使铜块的温度处在30℃‑50℃之间，温度值用热电偶测得，通过CCD相机拍下此时液晶表面的照片，获得液晶显现红色时色度值；标定步骤2、将温度值T与色度值的对应关系拟合成经验关系式；测量的步骤包括如下步骤：测量步骤1、流动通道四周以及底部由绝热材料围绕，流动通道上方分别依次设置黑漆、瞬态液晶、有机玻璃板，其中黑漆、瞬态液晶的厚度、型号和标定过程中完全相同，在流动通道底部的绝热材料设置冲击孔，冲击孔旁设置热电偶，冲击孔与气源连接；并在绝热材料旁边布置一个秒表，CCD相机和冷光源正对有机玻璃板表面，采集系统与CCD相机相连，采集系统用于采集图像和数据处理；测量步骤2、打开采集系统及数据采集程序，打开气源，调节通过冲击孔的流量，使整个系统的流动状态保持稳定，气流温度通过热电偶测量，整个系统在室温的状态下达到热平衡状态；打开数据采集程序通过热电偶对气流温度进行采集；打开CCD相机对瞬态液晶图像进行录像；在某一时刻突然改变气流温度，使气流温度迅速升高；LED指示灯同步亮起，并通过数据采集程序及热电偶记录下温度随时间的变化数据。...

【技术特征摘要】
1.一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，包括对瞬态液晶进行标定的步骤和测量的步骤，其特征在于：所述的对瞬态液晶进行标定的步骤包括如下步骤：标定步骤1、在铜块表面喷涂黑漆，然后在黑漆表面喷涂上一层瞬态液晶，使CCD相机和冷光源正对铜块表面，微调加在加热丝上的电压，经长时间的稳定后，使铜块的温度处在30℃-50℃之间，温度值用热电偶测得，通过CCD相机拍下此时液晶表面的照片，获得液晶显现红色时色度值；标定步骤2、将温度值T与色度值的对应关系拟合成经验关系式；测量的步骤包括如下步骤：测量步骤1、流动通道四周以及底部由绝热材料围绕，流动通道上方分别依次设置黑漆、瞬态液晶、有机玻璃板，其中黑漆、瞬态液晶的厚度、型号和标定过程中完全相同，在流动通道底部的绝热材料设置冲击孔，冲击孔旁设置热电偶，冲击孔与气源连接；并在绝热材料旁边布置一个秒表，CCD相机和冷光源正对有机玻璃板表面，采集系统与CCD相机相连，采集系统用于采集图像和数据处理；测量步骤2、打开采集系统及数据采集程序，打开气源，调节通过冲击孔的流量，使整个系统的流动状态保持稳定，气流温度通过热电偶测量，整个系统在室温的状态下达到热平衡状态；打开数据采集程序通过热电偶对气流温度进行采集；打开CCD相机对瞬态液晶图像进行录像；在某一时刻突然改变气流温度，使气流温度迅速升高；LED指示灯同步亮起，并通过数据采集程序及热电偶记录下温度随时间的变化数据。2.根据权利要求1所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：所述的标定步骤1中，铜块的厚度为5mm，铜块的表面积小于4平方厘米，所述的黑漆的厚度低于20μm，所述的瞬态液晶厚度低于5μm，所述的瞬态液晶和黑漆的喷涂采用气动美工喷笔，喷嘴直径为0.3mm，所述的黑漆和瞬态液晶的喷涂采用多次喷涂的方式，相邻两次喷涂过程的喷枪走向为垂直正交走向。3.根据权利要求1所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶智，朱剑琴，胡希卓，徐国强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11