一种物体表面局部强制对流换热系数的测量方法技术

本发明专利技术涉及一种物体表面局部强制对流换热系数的测量方法，核心思路是利用柔性热膜剪应力传感器对被测物体表面的局部强制对流换热系数h进行测量。本发明专利技术不仅可用于常规平面、管道的表面局部强制对流换热系数测量，还可实现曲面等复杂型面的局部强制对流换热系数的直接测量，操作简单，避免了常规对流换热系数测量中的复杂温度场测量问题。测量中的复杂温度场测量问题。测量中的复杂温度场测量问题。

【技术实现步骤摘要】
一种物体表面局部强制对流换热系数的测量方法

：
[0001]本专利技术属于传热学领域，具体涉及一种物体表面局部强制对流换热系数的测量方法。

技术介绍
：
[0002]强制对流换热是流体流过物体表面时产生的热量传递现象。牛顿冷却公式给出了对流换热的基本计算公式，同时也是对流换热系数h的直接定义式，它指出：对流换热量与传热面积、对流换热系数h及流体与物面的温差成正比。牛顿冷却公式将复杂的换热过程归结为表面对流换热系数h，使得公式简洁明了，但同时说明了研究传热问题的核心在于求解表面传热系数h。而对流换热是一个复杂的过程，流体的密度、粘度、热导率、比热容，流动速度，流体温度，固体壁面的大小、表面形貌，相对位置，表面温度分布等因素都会影响到传热系数h的大小。如何精确地获得局部表面对流换热系数h是工程中的一大难题。

技术实现思路
：
[0003]本专利技术旨在提供一种测量物体表面局部强制对流换热系数的方法，它可直接通过柔性热膜剪应力传感器获得被测物体表面的局部强制对流换热系数h。
[0004]本专利技术所述的物体表面局部强制对流换热系数的测量方法，其关键特征在于，测量单元是柔性热膜剪应力传感器，所述柔性热膜剪应力传感器采用微机电系统(MEMS)工艺技术加工，包括：热敏单元1；引线单元2；PI柔性基底3。
[0005]设定柔性热膜剪应力传感器的热敏单元1沿x轴(流向)方向长度为L，沿z轴方向(展向)宽度为W，沿y轴(壁面法向)方向高度为d，设定传感器热敏单元1的工作温度为T
w
，假设流体介质为常物性，温度为T
f
，且有T
w
>T
f
。
[0006]本专利技术所述的柔性热膜剪应力传感器工作本构方程的建立过程，需求解流体三维稳态传热能量方程：
[0007][0008]其中T(x,y,z,t)为流体温度场，u，v，w分别为x，y，z方向速度场分量，α
f
为流体热扩散率。
[0009]本专利技术所述柔性热膜剪应力传感器的热敏单元1的展向与流向长度之比为60，此时流体三维稳态传热能量方程的求解可按二维传热问题对待，即：速度场仅考虑x方向，忽略y和z方向的热耗散。由于本文所述PI柔性基底3导热系数较小，为进一步简化上述稳态传热能量方程，下述推导过程忽略了热敏单元1向PI柔性基底3的热传导。
[0010]此时，本专利技术所述的流体三维稳态传热能量方程简化为：
[0011][0012]假设近壁面速度边界层分布为线性分布，即定义u＝s
x
y，其中，s
x
为速度梯度。
[0013]假设近壁面的温度边界层分布也为线性分布，并定义无量纲温度：
[0014]θ＝(T
w
–
T(y))/(T
w
‑
T
f
)
[0015]进一步的，本专利技术所述的稳态传热能量方程可再次简化为：
[0016][0017]并具有边界条件：
[0018]θ(0,y)＝1,θ(x,∞)＝1,θ(x,0)＝0
[0019]引入相似变量η＝y(s
x
/9α
f x)
1/3
来表征热敏单元表面的法向高度y与温度边界层厚度之间的比例关系。此时，稳态传热能量方程可进一步转化为非线性常微分方程：
[0020][0021]并具有边界条件：θ(1)＝1,θ(0)＝0。
[0022]求解该非线性常微分方程，其解为：
[0023][0024]因此，柔性热膜剪应力传感器的热敏单元1向流体的对流换热量可沿传感器热敏单元流向长度方向积分得到：
[0025][0026]其中，λ
f
为流体介质的导热率。
[0027]由于，α
f
＝λ
f
/(ρc
p
)，c
p
为流体介质的定压比热容；ρ为流体介质的密度，结合流体壁面剪应力的定义式τ＝μ(du/dy)|
y＝0
＝μs
x
，可将柔性热膜剪应力传感器热敏单元1向流体的对流换热量进一步写为：
[0028][0029]其中，v为流体介质的运动粘度，v＝μ/ρ。考虑到一般柔性热膜剪应力传感器稳态工作时，热敏单元1的热辐射损失、自由对流换热损失均可忽略不计。此时，在驱动电路4的激励下，热敏单元1所产生的焦耳热功率(Q
J
＝EI)与热敏单元1与流场的强制对流换热损失Q
f
和热敏单元1向PI柔性基底3的导热损失相平衡。其中，E为热敏单元1两端的输出电压；I为热敏单元1的驱动电流；λ
s
为PI柔性基底3的导热系数；ΔT
w
‑
s
为热敏单元1与PI柔性基底3间的温度差。
[0030]此时，可得到柔性热膜剪应力传感器在测量物面局部强制对流换热系数的工作条
件下，本构方程可写为：
[0031][0032]柔性热膜剪应力微传感器的本构方程在揭示热敏单元1与流场的对流换热与流体壁面剪应力
τ
之间关系的同时，也给出了热敏单元1两端输出电压E与流体壁面剪应力τ之间的关系。因此，当已知柔性热膜剪应力传感器输出电压E与流体壁面剪应力τ之间的标定方程时即可实现热敏单元1与流场的对流换热功率Q
f
的反推，进而求解物面的局部强制对流换热系数h。
[0033]基于以上理论分析，本专利技术提出一种物体表面局部强制对流换热系数的测量方法，其特征在于，包括以下五个步骤：
[0034]步骤一：对柔性热膜剪应力传感器进行温度
‑
电阻系数(TCR)标定，获得热敏单元1在20℃时的温度
‑
电阻系数α
20
和电阻值R
20
，建立起柔性热膜传感器热敏单元1的工作电阻R
w
与工作温度T
w
间的关系式：
[0035]R
w
＝E/I＝R
20
[1+R
20
α
20
(T
w
‑
T
20
)][0036]其中，T
20
＝20℃，I为热敏单元1的驱动电流；
[0037]步骤二：对柔性热膜剪应力传感器进行静态标定，获得热敏单元1两端输出电压E与流体壁面剪应力τ之间的关系：E2/R
w
＝Aτ
1/3
+B，其中，A、B均为待定参数，分别与热敏单元1与流场的对流换热和向基底的导热有关；
[0038]步骤三：将柔性热膜剪应力传感器平齐贴附于被测物面进行测试；
[0039]步骤四：测量柔性热膜剪应力传感器热敏单元1两端的输出电压E、流场温度T
f
；
[0040]步骤五：根据柔性热膜剪应力传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种物体表面局部强制对流换热系数的测量方法，其特征在于，包括以下五个步骤：步骤一：对柔性热膜剪应力传感器进行温度
‑
电阻系数TCR标定，获得热敏单元1在20℃时的温度
‑
电阻系数α
20
和电阻值R
20
，建立起柔性热膜传感器热敏单元1的工作电阻R
w
与工作温度T
w
间的关系式：R
w
＝E/I＝R
20
[1+R
20
α
20
(T
w
‑
T
20
)]其中，T
20
＝20℃，I为热敏单元1的驱动电流；步骤二：对柔性热膜剪应力...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓进军，王道远，严宇超，苑伟政，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：