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一種采用雙熱電偶測(cè)量強(qiáng)瞬變流體溫度的方法與流程

文檔序號(hào):11858948閱讀:來(lái)源:國(guó)知局

技術(shù)特征:

1.一種采用雙熱電偶測(cè)量強(qiáng)瞬變流體溫度的方法,其特征在于:

步驟一:選取熱電偶;

選取指標(biāo)是幾何尺寸相同,材料屬性不同;

所述的材料屬性包括熱電偶密度和比熱容;

步驟二:對(duì)選取的熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn),確定熱電勢(shì)和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系;

步驟三:制作雙熱電偶測(cè)量裝置,選取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置;

制作雙熱電偶的原則是兩個(gè)熱電偶盡可能的接近,但不能接觸和影響流體流動(dòng);

步驟四:在試驗(yàn)環(huán)境中布置雙熱電偶測(cè)量裝置;

步驟五:利用雙熱電偶裝置對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置采集兩個(gè)熱電偶的電勢(shì)信號(hào),并通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)字信號(hào),即得到τ時(shí)刻的溫度測(cè)量值t1(τ)和t2(τ),然后導(dǎo)入到雙熱電偶法瞬態(tài)測(cè)溫后處理程序中,從而得到所測(cè)點(diǎn)的流體溫度隨時(shí)間的變化,實(shí)時(shí)更新流體動(dòng)態(tài)溫度變化;

步驟六:實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,當(dāng)出現(xiàn)測(cè)溫異常點(diǎn)時(shí),若是熱電偶?jí)乃绖t更換新的熱電偶,并重復(fù)步驟二至步驟五;若是流體后處理存在問(wèn)題,確定其是否滿足后處理反推條件,若不滿足則去除異常點(diǎn),此熱電偶裝置仍應(yīng)用到接下來(lái)的流體溫度動(dòng)態(tài)測(cè)量中。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用雙熱電偶測(cè)量強(qiáng)瞬變流體溫度的方法,其特征在于:步驟三中所述的兩個(gè)熱電偶之間的間距L與熱電偶的直徑D,滿足L/D=1.0~3.0。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用雙熱電偶測(cè)量強(qiáng)瞬變流體溫度的方法,其特征在于:所述的后處理程序基于樣條擬合方法,對(duì)于流體溫度沿時(shí)域的變化曲線,選取若干控制點(diǎn),控制點(diǎn)之間采用樣條方式擬合,采用局部平均對(duì)流換熱系數(shù),通過(guò)求解熱電偶的導(dǎo)熱微分控制方程得到兩個(gè)熱電偶的數(shù)值解,并求出數(shù)值解和測(cè)量值的誤差,采用離散牛頓法使誤差最小,則誤差最小時(shí)的流體溫度控制點(diǎn)擬合出來(lái)的每時(shí)刻的流體溫度作為流體溫度輸出。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種采用雙熱電偶測(cè)量強(qiáng)瞬變流體溫度的方法,其特征在于:所述的數(shù)值解通過(guò)如下方式獲得,

非穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源的熱電偶導(dǎo)熱微分方程式為:

<mrow> <mfrac> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>&tau;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>a</mi> <msup> <mo>&dtri;</mo> <mn>2</mn> </msup> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mover> <mi>&phi;</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>&rho;</mi> <mi>c</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,t為熱電偶的測(cè)量溫度,τ為測(cè)溫時(shí)刻,a為導(dǎo)熱系數(shù),為內(nèi)熱源,ρ為熱電偶的密度,c為熱電偶的比熱容;

熱電偶內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻忽略,溫度與空間坐標(biāo)無(wú)關(guān),故溫度的二階導(dǎo)數(shù)為0,公式(1)化簡(jiǎn)為:

<mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&tau;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mover> <mi>&phi;</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>&rho;</mi> <mi>c</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中熱電偶的內(nèi)熱源為廣義熱源,邊界界面上交換的熱量折算為整個(gè)熱電偶的體積熱源,有:

<mrow> <mover> <mi>&phi;</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mi>A</mi> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>&infin;</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,V為熱電偶體積,A為熱電偶表面積,h為熱電偶表面對(duì)流換熱系數(shù),t為熱電偶測(cè)量溫度,t為流體溫度;

將上式(3)帶入簡(jiǎn)化的微分方程(2)有:

<mrow> <mi>&rho;</mi> <mi>c</mi> <mi>V</mi> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&tau;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mi>h</mi> <mi>A</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>&infin;</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

在τ時(shí)刻,處于加熱狀態(tài)時(shí),采用雙熱電偶測(cè)量單點(diǎn)溫度,有:

<mrow> <msub> <mi>&rho;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>V</mi> <mn>1</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&tau;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>V</mi> <mn>2</mn> </msub> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&tau;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中t0(τ)為τ時(shí)刻的流體溫度,t1(τ)、t2(τ)為τ時(shí)刻兩個(gè)熱電偶的測(cè)量溫度;dt1/dτ和dt2/dτ分別為兩個(gè)熱電偶在τ時(shí)刻的溫度隨時(shí)間的變化率,V1、V2分別為兩個(gè)熱電偶的體積,并有V=V1=V2;A1和A2分別為兩個(gè)熱電偶的表面積,并有A1=A2=A;h1和h2分別為兩個(gè)熱電偶表面的對(duì)流換熱系數(shù);ρ1、ρ2分別為兩個(gè)熱電偶的密度,c1、c2分別為兩個(gè)熱電偶的比熱容;

由于兩個(gè)熱電偶上的努賽爾數(shù)Nu相同,其對(duì)流換熱系數(shù)也相同,即h1=h2=h,將上述兩式(5)和式(6)作比值得到:

<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&rho;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>V</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>/</mo> <mi>d</mi> <mi>&tau;</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>/</mo> <mi>d</mi> <mi>&tau;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

化簡(jiǎn)得到:

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>dt</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>d&tau;t</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>&rho;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>dt</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>d&tau;t</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>dt</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>/</mo> <mi>d</mi> <mi>&tau;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&rho;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>dt</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>/</mo> <mi>d</mi> <mi>&tau;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

由于假設(shè)熱電偶為常物性參數(shù),上式(8)中ρ1、ρ2、c1、c2均已知,t1(τ)、t2(τ)為熱電偶的測(cè)量溫度,dt1/dτ、dt2/dτ為所測(cè)時(shí)刻的溫度變化率,可通過(guò)差分方法求得,通過(guò)此式(8)求得修正后的流體溫度,即所述的數(shù)值解。

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