一种冲击射流强化换热特性的离散化测试方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种冲击射流强化换热特性的离散化测试方法，包括：设计测试装置，在换热表面不同位置的下方设置测试圆柱，将测试对象离散成各测试点，冲击射流强化换热实验：将测试装置的上支撑板连带测试圆柱一起向上移动，使测试圆柱所有部分都高出隔热材料而与加热环境直接接触，并在上支撑板与支撑套之间设置档块，使上支撑板不在加热过程滑落；将测试装置整体放置于加热炉内加热至所预设温度；打开炉门，在炉内将上支撑板连同测试圆柱归位，并在炉内迅速盖上保温盖，将测试装置置于相应位置后，去掉上部保温盖，同时迅速开启射流阀门，并记录表面温度；对流换热系数计算。适用于大温差、换热剧烈的冲击射流换热特性离散化研究。换热剧烈的冲击射流换热特性离散化研究。换热剧烈的冲击射流换热特性离散化研究。

【技术实现步骤摘要】
一种冲击射流强化换热特性的离散化测试方法及装置


[0001]本专利技术涉及冲击射流传热传质研究
，特别涉及一种冲击射流强化换热特性的离散化测试方法及装置。

技术介绍

[0002]冲击射流强化换热是指利用喷嘴，将具有一定压力流体(气体、液体、水雾等)垂直或以一定角度喷射到换热表面，而实现对冲击表面的强化加热或冷却。冲击射流一般具有较大冲击压力，在换热表面处流体的流动速度快、边界层薄，可以获得很大换热能力，是一种极其有效的强化传热方法。另外，冲击射流强化换热具有换热强度可控性好的特点(通过调节射流压力、射流距离、射流角度以及射流布局方式等参数可以有效的控制其冷却强度)。因此，冲击射流强化传热得到了广泛的应用，如电子元器件冷却、如纸张干燥、玻璃热处理、连铸二冷射流冷却、超快冷技术，钢轨轨头风冷淬火、水雾淬火等领域。
[0003]冲击射流强化换热的换热特性研究是其更好应用到生产实践的前提条件。而冲击射流强化换热特性与很多因素有关，如比如喷嘴形状、喷射表面粗糙度、喷射距离、喷射压力、喷射介质、喷嘴间距、多股射流间干涉等。另外，射流冲击到换热面后的压力、速度、方向都发发生了剧烈的变化，导致换热表面不同位置的换热强度也会不同。因此，冲击射流强化换热规律和特性的研究一直是传热传质领域的研究热点。
[0004]冲击射流强化换热界面某位置的换热强烈强度一般用努赛尔数(简称Nu)来表征，Nu是流体力学以及传热学中的一个无量纲数，计算式为式中L为传热面的几何特征长度；k为静止流体的导热系数；h为流体的表面对流换热系数，表征流体与固体表面之间的换热能力。h的物理意义为物体表面与附近空气温差1℃，单位时间(1秒)、单位面积上通过对流与附近空气交换的热量，是冲击射流强化换热特性研究中获取难度较大而又不可缺少的一个参数，计算式为式中q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度；t
w
、t
∞
分别为固体表面和流体的温度。
[0005]现有技术研究冲击射流换热特性的直接测定方法主要有稳态实验法和瞬态实验法。
[0006]1)稳态实验法：是指对换热工件通电加热或在底部给定持续外加已知热量的热源，表面持续冲击射流换热，即在表面射流换热的同时给工件持续提供热量，使提供的热量和射流带走的热量达到一个稳定的平衡状态，进而可以通过已知输入的热量值q以及测量的换热界面的温度值来计算得到对流换热系数。稳态法具有对对边界条件、外界环境等实验条件要求苛刻、试验周期长、误差大的缺点，只能适用于小温差且换热不剧烈的，可以达到稳定状态的工况，一些工况如超音速喷风冲击射流、超快冷冲击射流换热、高温差冲击射流换热(温差大于400℃)等，采用稳态方法无法实现实验过程的稳定状态，只能通过瞬态法实现。
[0007]2)瞬态实验法：瞬态实验一般是指换热前将待换热工件预先整体保持在某一温
度，然后通过射流对工件进行强制加热或冷却换热，使工件表面及内部产生纵向温度梯度(纵向温度梯度指换热表面垂直向下产生的温度梯度)，通过测量温度梯度来计算瞬时传递的热量，进而计算对流换热系数。瞬态实验具有周期短，误差相对小的优点，近年来被广泛应用于对流换热系数的测量。但在瞬态实验中，为了使换热过程持续一定时间以及测量工件的纵向温度梯度，需要使测试工件需要有一定的厚度，这时的传热过程实质是包含流体与固体之间传热、流体不同位置之间传热以及固体内部不同位置传热的共轭传热过程。当工件本身存在温度梯度时，热量温度高的部位必然会向温度低的部位传递热量，这使得测试结果不能完全反映出流体的换热能力，而一定程度上与换热对象的材质、尺寸等都有关，导致现有关于同一射流流体工况的瞬态实验研究中，相同的射流流体工况，不同材质的工件或者不同厚度的工件所得到的结果都是不同的。另外，瞬态实验一般需要在工件内部设置热电偶以测量工件内部的瞬时温度，一方面热电偶埋入孔加工误差会给测试结果造成影响；另一方面，热电偶的埋入也会对材料内部的传热规律造成影响而影响实验结果；第三方面，瞬态实验的整体工件计算过程需要通过复杂的二维或三维计算过程(如反传热法求对流换热系数)，计算量较大。

技术实现思路

[0008]为了解决
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术提供一种冲击射流强化换热特性的离散化测试方法及装置，适用于大温差、换热剧烈的冲击射流换热特性离散化研究。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
[0010]一种冲击射流强化换热特性的离散化测试方法，包括如下步骤：
[0011]步骤一、设计测试装置，所述的测试装置包括上支撑板、测试圆柱、隔热材料、导向柱和下支撑板，上支撑板接触工件，在上支撑板换热表面不同位置的下方设置测试圆柱，将测试对象离散成各测试点，各测试圆柱下表面以及测试圆柱之间用隔热材料隔开，以阻断各测试点之间以及测试点与外界之间的热量传递；
[0012]步骤二、物性参数方程拟合；
[0013]步骤三、材料发射率测试；
[0014]步骤四、冲击射流强化换热实验：
[0015]1)加热前，先将工件置于测试位置，并调整好其与喷嘴和热像仪的相对位置；
[0016]2)将测试装置的上支撑板连带测试圆柱一起向上移动，使测试圆柱所有部分都高出隔热材料而与加热环境直接接触，并在上支撑板与支撑套之间设置档块，使上支撑板不在加热过程滑落；
[0017]3)将测试装置整体放置于加热炉内加热至所预设温度；
[0018]4)打开炉门，在炉内将上支撑板连同测试圆柱归位，并在炉内迅速盖上保温盖，以防止转运过程散热而影响实验精度；
[0019]5)将测试装置置于相应位置后，去掉上部保温盖，同时迅速开启射流阀门，并记录表面温度；
[0020]步骤五、对流换热系数计算。
[0021]进一步地，每个测试点的测试圆柱应同时满足两个条件：
[0022]1)测试圆柱直径应满足工程换热的无限长圆柱条件，即式中λ为圆柱材料的导热系数；r为测试圆柱直径；h为测试圆柱端部换热表面的对流换热系数预估值，h建议取值范围为：常速气体冲击射流取20
‑
200，音速或超音速气体冲击射流取200
‑
800；水雾淬火取500
‑
1000；水强制对流取1000
‑
15000；特殊工况可依据经验值预估；单位：
[0023]2)测试圆柱的长度应满足，在整个测试过程，测试圆柱下表面的温度不随上表面的降温而发生变化。
[0024]进一步地，所述的步骤二中，物性参数方程拟合的方法包括：在matlab中输入以下语句，使用自动弹出的cftool工具，按需求选择方程类型和精度，拟合得到随温度变化的热物性参数方程:
[0025]clear；
[0026]Cftool；
[0027]x＝[A1,A2,
···
，An]；
[0028]y＝[C1,C2,
···
，Cn]；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冲击射流强化换热特性的离散化测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、设计测试装置，所述的测试装置包括上支撑板、测试圆柱、隔热材料、导向柱和下支撑板，上支撑板接触工件，在上支撑板换热表面不同位置的下方设置测试圆柱，将测试对象离散成各测试点，各测试圆柱下表面以及测试圆柱之间用隔热材料隔开，以阻断各测试点之间以及测试点与外界之间的热量传递；步骤二、物性参数方程拟合；步骤三、以及材料发射率测试；步骤四、冲击射流强化换热实验：1)加热前，先将工件置于测试位置，并调整好其与喷嘴和热像仪的相对位置；2)将测试装置的上支撑板连带测试圆柱一起向上移动，使测试圆柱所有部分都高出隔热材料而与加热环境直接接触，并在上支撑板与支撑套之间设置档块，使上支撑板不在加热过程滑落；3)将测试装置整体放置于加热炉内加热至所预设温度；4)打开炉门，在炉内将上支撑板连同测试圆柱归位，并在炉内迅速盖上保温盖，以防止转运过程散热而影响实验精度；5)将测试装置置于相应位置后，去掉上部保温盖，同时迅速开启射流阀门，并记录表面温度；步骤五、对流换热系数计算。2.根据权利要求1所述的一种冲击射流强化换热特性的离散化测试方法，其特征在于，每个测试点的测试圆柱应同时满足两个条件：1)测试圆柱直径应满足工程换热的无限长圆柱条件，即式中λ为圆柱材料的导热系数；r为测试圆柱直径；h为测试圆柱端部换热表面的对流换热系数预估值，h建议取值范围为：常速气体冲击射流取20
‑
200，音速或超音速气体冲击射流取200
‑
800；水雾淬火取500
‑
1000；水强制对流取1000
‑
15000；特殊工况可依据经验值预估；单位：2)测试圆柱的长度应满足，在整个测试过程，测试圆柱下表面的温度不随上表面的降温而发生变化。3.根据权利要求1所述的一种冲击射流强化换热特性的离散化测试方法，其特征在于，所述的步骤五的对流换热系数计算包括如下：1)对各测试点得到的随时间变化的温度值拟合成多项式方程，得到如下形式：2)使用如下所示的方程2计算得到个测试圆柱下方各节点随时间变化的温度值：式中3)使用如下所示的方程3计算得到各测试点随温度变化的随流换热系数：
4)δτ和δx的选取时需满足以下条件：以上计算式1
‑
4中，m指多项式阶数，i＝1
…
t表示时间步，t表示测量温度的结束时间，n表示位置节点数，指序号为n的节点在i时刻的温度值，表示测试点的上表面温度，指测试圆柱的下端面温度，为不真实存在的虚拟点，δτ表示时间间隔，δx表示测试圆柱各节点的位置间隔，ρ为随温度变化的密度拟合方程，c
p
为随温度变化的比热容的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明昕，宋华，杨建，关士学，张月，付丽华，宋栋栋，吴成千，
申请(专利权)人：辽宁科技大学，
类型：发明
国别省市：