一種瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法技術

本發明專利技術涉及測量技術領域，特涉及一種瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法。本發明專利技術通過低導熱系數的有機玻璃板來模擬一維半無限大的平板，通過熱電偶記錄下氣流溫度隨時間的變化過程，通過CCD相機記錄下壁面溫度隨時間的變化過程，最后通過迭代求解解析解的方程，得到壁面的對流換熱系數。本發明專利技術解決了穩態實驗時間長，耗費大量人力物力等技術缺陷，可快速實現壁面的對流換熱系數的測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及測量
，特涉及一種瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，特別是應用于渦輪葉片內冷通道、沖擊冷卻靶面等模型實驗中的對流換熱系數的測試方法。
技術介紹
在以往的流動換熱實驗研究中，使用較多的是穩態實驗方法，比如銅塊加熱法、薄膜加熱法等應用的都比較成熟。由于其原理簡單，實現起來比較容易，所以一直是人們獲得壁面換熱系數的主要手段，但是穩態方法也存在著自身不可避免的缺陷。對于一個流動換熱的過程來說，流動的穩定是十分迅速的，而換熱的穩定卻是一個非常緩慢的過程，往往需要幾十分鐘甚至幾個小時，這就使得穩態方法的實驗時間較長，需要耗費大量的人力和物力。并且某些復雜的表面很難提供等熱流邊界條件。相比于穩態實驗測量對流換熱系數，瞬態實驗具有非常大的優勢。其核心思想都是利用一定條件下的瞬態傳熱過程的解析解(通常表示成物體溫度與時間、物性參數以及換熱特性參數的函數關系)，與實驗獲得瞬態過程的溫度變化(即溫度-時間的曲線)進行對比，從而獲得所需要的換熱特性參數。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術提供了一種瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法。本專利技術采用瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，該方法是基于一維半無限大平板的基本假設，通過理論分析得到其非穩態導熱過程的解析解。在實驗過程中，通過低導熱系數的有機玻璃板來模擬一維半無限大的平板，通過熱電偶記錄下氣流溫度隨時間的變化過程，通過CCD相機記錄下壁面溫度隨時間的變化過程，最后通過迭代求解解析解的方程，得到壁面的對流換熱系數。本專利技術解決了穩態實驗時間長，耗費大量人力物力等技術缺陷，可快速實現壁面的對流換熱系數的測量。本專利技術的技術方案：一種瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，包括對瞬態液晶進行標定的步驟和測量的步驟，其特征在于：所述的對瞬態液晶進行標定的步驟包括如下步驟：標定步驟1、在銅塊表面噴涂黑漆，然后在黑漆表面噴涂上一層瞬態液晶，使CCD相機和冷光源正對銅塊表面，微調加在加熱絲上的電壓，經長時間的穩定后，使銅塊的溫度處在30℃-50℃之間，溫度值用熱電偶測得，通過CCD相機拍下此時液晶表面的照片，獲得液晶顯現紅色時色度值；標定步驟2、將溫度值T與色度值的對應關系擬合成經驗關系式；測量的步驟包括如下步驟：測量步驟1、流動通道四周以及底部由絕熱材料圍繞，流動通道上方分別依次設置黑漆、瞬態液晶、有機玻璃板，其中黑漆、瞬態液晶的厚度、型號和標定過程中完全相同，在流動通道底部的絕熱材料設置沖擊孔，沖擊孔旁設置熱電偶，沖擊孔與氣源連接；并在絕熱材料旁邊布置一個秒表，CCD相機和冷光源正對有機玻璃板表面，采集系統與CCD相機相連，采集系統用于采集圖像和數據處理；測量步驟2、打開采集系統及數據采集程序，打開氣源，調節通過沖擊孔的流量，使整個系統的流動狀態保持穩定，氣流溫度通過熱電偶測量，整個系統在室溫的狀態下達到熱平衡狀態；打開數據采集程序通過熱電偶對氣流溫度進行采集；打開CCD相機對瞬態液晶圖像進行錄像；在某一時刻突然改變氣流溫度，使氣流溫度迅速升高；LED指示燈同步亮起，并通過數據采集程序及熱電偶記錄下溫度隨時間的變化數據。根據如上所述的瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，其特征在于：所述的標定步驟1中，銅塊的厚度為5mm，銅塊的表面積小于4平方厘米，所述的黑漆的厚度低于20μm，所述的瞬態液晶厚度低于5μm，所述的瞬態液晶和黑漆的噴涂采用氣動美工噴筆，噴嘴直徑為0.3mm，所述的黑漆和瞬態液晶的噴涂采用多次噴涂的方式，相鄰兩次噴涂過程的噴槍走向為垂直正交走向。根據如上所述的瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，其特征在于：所述的測量步驟1中有機玻璃板的厚度為10mm，其表面積與標定過程中銅塊的表面積一致。根據如上所述的瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，其特征在于：還包括進行數據處理的步驟，數據處理時首先將實驗中所采集的視頻錄像文件逐幀輸出為圖片序列，圖片名稱為0.jpeg，1.jpeg，……，n.jpeg，根據照片上的LED指示燈對應的時間確定加熱開始時刻所對應的照片序號i.jpeg。根據如上所述的瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，其特征在于：還包括獲得了實驗區域內坐標位置的步驟，具體方位為按順序逐張掃描照片中的實驗區域內色度值5≤hue≤10所在的像素點的坐標(x,y)及對應的圖片序號。根據如上所述的瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，其特征在于：還包括利用公式求解換熱系數的步驟，包括以下兩個公式其中，n＝j-i，Tc(τi)為i時間的熱電偶采集的溫度值；T0為熱平衡狀態時熱電偶7采集的溫度值；ρ為氣流密度，c為氣流比熱，λ為氣流導熱系數，該三個參數均為常量，可以測量，β為未知數。根據如上所述的瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，其特征在于：所述的β根據公式3獲得，其中β的范圍是0≤β＜3.546。本專利技術的有益效果是：與穩態實驗測量對流換熱系數的方法相比，本專利技術能在很大程度上解決目前穩態實驗耗時長、精度低等問題，可以在60秒內完成對表面對流換熱系數的測量，大大降低了實驗人員的時間，同時節約了實驗費用，降低了實驗成本。采用牛頓迭代法求解換熱系數h，可以使換熱系數的誤差低于0.3％，提高了測量的精度和準確性。附圖說明圖1是本專利技術的瞬態液晶標定裝置示意圖；圖2是本專利技術的實驗過程樣品測試的布置圖；圖3為β的求解流程圖。附圖標記說明：CCD相機1、冷光源2、瞬態液晶3、黑漆4、銅塊5、加熱絲6、熱電偶7、沖擊孔8、絕熱材料9、秒表10、有機玻璃板11、采集系統12、LED指示燈13。具體實施方式名稱解釋：瞬態液晶是一種在一定溫度范圍內，可以在不同溫度下，顯現不同顏色的液晶。下面結合附圖詳細說明本專利技術技術方案中所涉及的各個細節問題。應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本專利技術的理解，而對其不起任何限定作用。本專利技術的瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，可用于平板流動通道內的對流換熱系數的測量，也可以使用與帶有弧形不規則表面的對流換熱系數的測量。該方法利用了瞬態液晶在不同溫度下顯示不同顏色的特點，通過突然改變氣流的溫度，使得被測表面的液晶隨時間發生變化，利用圖像采集系統記錄下液晶的變化過程，通過單色液晶捕捉技術以及基于一維非穩態導熱方程的反問題求解算法獲得被測量表面的對流換熱系數。該方法的步驟如下(見圖1和圖2)：首先，對瞬態液晶進行標定，獲得瞬態液晶溫度值T與色度值hue的對應關系擬合成經驗關系式，標定過程包括如下步驟：標定步驟1、在銅塊5表面噴涂黑漆4，然后在黑漆表面噴涂上一層瞬態液晶3，銅塊5的厚度選取5mm最佳，銅塊5的表面積小于4平方厘米，這樣可以使得整個銅塊的溫度均勻，保證標定的準確。黑漆4的厚度低于20μm，瞬態液晶厚度低于5μm。瞬態液晶3和黑漆4的噴涂采用氣動美工噴筆，噴嘴直徑為0.3mm。黑漆4和液晶3的噴涂都要采用多次噴涂的方式，相鄰兩次噴涂過程的噴槍走向為垂直正交走向，這樣可以充分的保證黑漆4和液晶3的均勻性，利于測溫的準確。CCD相機1和冷光源2正對銅塊表面。微調加在加熱絲6上的電壓，經長時間的穩定后，使得整個銅塊5的溫度處在30℃-3本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，包括對瞬態液晶進行標定的步驟和測量的步驟，其特征在于：所述的對瞬態液晶進行標定的步驟包括如下步驟：標定步驟1、在銅塊表面噴涂黑漆，然后在黑漆表面噴涂上一層瞬態液晶，使CCD相機和冷光源正對銅塊表面，微調加在加熱絲上的電壓，經長時間的穩定后，使銅塊的溫度處在30℃?50℃之間，溫度值用熱電偶測得，通過CCD相機拍下此時液晶表面的照片，獲得液晶顯現紅色時色度值；標定步驟2、將溫度值T與色度值的對應關系擬合成經驗關系式；測量的步驟包括如下步驟：測量步驟1、流動通道四周以及底部由絕熱材料圍繞，流動通道上方分別依次設置黑漆、瞬態液晶、有機玻璃板，其中黑漆、瞬態液晶的厚度、型號和標定過程中完全相同，在流動通道底部的絕熱材料設置沖擊孔，沖擊孔旁設置熱電偶，沖擊孔與氣源連接；并在絕熱材料旁邊布置一個秒表，CCD相機和冷光源正對有機玻璃板表面，采集系統與CCD相機相連，采集系統用于采集圖像和數據處理；測量步驟2、打開采集系統及數據采集程序，打開氣源，調節通過沖擊孔的流量，使整個系統的流動狀態保持穩定，氣流溫度通過熱電偶測量，整個系統在室溫的狀態下達到熱平衡狀態；打開數據采集程序通過熱電偶對氣流溫度進行采集；打開CCD相機對瞬態液晶圖像進行錄像；在某一時刻突然改變氣流溫度，使氣流溫度迅速升高；LED指示燈同步亮起，并通過數據采集程序及熱電偶記錄下溫度隨時間的變化數據。...

【技術特征摘要】
1.一種瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，包括對瞬態液晶進行標定的步驟和測量的步驟，其特征在于：所述的對瞬態液晶進行標定的步驟包括如下步驟：標定步驟1、在銅塊表面噴涂黑漆，然后在黑漆表面噴涂上一層瞬態液晶，使CCD相機和冷光源正對銅塊表面，微調加在加熱絲上的電壓，經長時間的穩定后，使銅塊的溫度處在30℃-50℃之間，溫度值用熱電偶測得，通過CCD相機拍下此時液晶表面的照片，獲得液晶顯現紅色時色度值；標定步驟2、將溫度值T與色度值的對應關系擬合成經驗關系式；測量的步驟包括如下步驟：測量步驟1、流動通道四周以及底部由絕熱材料圍繞，流動通道上方分別依次設置黑漆、瞬態液晶、有機玻璃板，其中黑漆、瞬態液晶的厚度、型號和標定過程中完全相同，在流動通道底部的絕熱材料設置沖擊孔，沖擊孔旁設置熱電偶，沖擊孔與氣源連接；并在絕熱材料旁邊布置一個秒表，CCD相機和冷光源正對有機玻璃板表面，采集系統與CCD相機相連，采集系統用于采集圖像和數據處理；測量步驟2、打開采集系統及數據采集程序，打開氣源，調節通過沖擊孔的流量，使整個系統的流動狀態保持穩定，氣流溫度通過熱電偶測量，整個系統在室溫的狀態下達到熱平衡狀態；打開數據采集程序通過熱電偶對氣流溫度進行采集；打開CCD相機對瞬態液晶圖像進行錄像；在某一時刻突然改變氣流溫度，使氣流溫度迅速升高；LED指示燈同步亮起，并通過數據采集程序及熱電偶記錄下溫度隨時間的變化數據。2.根據權利要求1所述的瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，其特征在于：所述的標定步驟1中，銅塊的厚度為5mm，銅塊的表面積小于4平方厘米，所述的黑漆的厚度低于20μm，所述的瞬態液晶厚度低于5μm，所述的瞬態液晶和黑漆的噴涂采用氣動美工噴筆，噴嘴直徑為0.3mm，所述的黑漆和瞬態液晶的噴涂采用多次噴涂的方式，相鄰兩次噴涂過程的噴槍走向為垂直正交走向。3.根據權利要求1所述的瞬態液晶用于測量對流換熱系數的非穩態測量方法，其特征在于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陶智，朱劍琴，胡希卓，徐國強，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11