本發(fā)明提供了一種基于雙熱電偶測量流體速度的方法，屬于流體熱工測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

人們對流動信息的關(guān)心由來已久。湍流問題被認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)唯一沒有解決的問題,最為主要的原因是描述流動問題著名的N-S方程的求解在數(shù)學(xué)上有很大的困難,目前尚沒有看到直接徹底解決的希望,所以從根本上說,目前流體力學(xué)仍然是一門實驗科學(xué),許多問題的解決和實際流動模型的改進(jìn)都依賴高質(zhì)量實驗結(jié)果的獲得。研究流體力學(xué)的人都知道,流體的流動速度是流場最為基本的物理量,對流動特征的認(rèn)識很大程度上取決于速度場的獲得。大多數(shù)描述流場的導(dǎo)出量都直接和速度參量建立聯(lián)系，如環(huán)量、渦量、流函數(shù)等等。而流體速度的測試方法也很多，如機(jī)械式風(fēng)速儀、熱線風(fēng)速儀、激光測速、PIV測速等。

機(jī)械式風(fēng)速儀通過測量葉輪機(jī)械的旋轉(zhuǎn)角速度來測速，但精度不夠高。熱線風(fēng)速儀是將一根通電加熱的細(xì)金屬絲(稱熱線)置于氣流中，熱線在氣流中的散熱量與流速有關(guān)，而散熱量導(dǎo)致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。該方式是測試處于通電狀態(tài)下傳感器因風(fēng)而冷卻時產(chǎn)生的電阻變化，由此測試風(fēng)速。不能得出風(fēng)向的信息。除攜帶容易方便外，成本性能比高。激光測速的原理是：靜止的激光光源發(fā)射的激光照射到隨流體運(yùn)動的粒子上時，粒子將接收到的光波向外散射，散射光頻率與激光光波頻率之差與運(yùn)動粒子的速度成正比。這個差值就叫做多普勒頻移。測量這個頻差就可知運(yùn)動粒子的速度，也即知道了流體的流速。激光測速是非接觸式測速，對流場無干擾，動態(tài)響應(yīng)較快，但應(yīng)用較困難，且價格昂貴，性價比不高。PIV測速是一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、無接觸式的流體力學(xué)測速方法，PIV測速超出了單點(diǎn)測速技術(shù)(如LDA)的局限性，能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點(diǎn)上的速度分布信息，并可提供豐富的流場空間結(jié)構(gòu)以及流動特性，其測量精度高，可以進(jìn)行兩相流測速，但同樣的造價昂貴。

對于有溫度變化的流熱交互的流場來說，其流速與對流換熱系數(shù)有關(guān)，通過測量流場中的對流換熱系數(shù)即可得到流場的流速信息。測量對流換熱系數(shù)的方法主要包括穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法對試驗條件要求苛刻，試驗周期長，誤差大；瞬態(tài)法(見參考文獻(xiàn)[1]：丁水汀,姜祖崗,徐國強(qiáng),羅翔.對流換熱系數(shù)的瞬態(tài)測量技術(shù).北京航空航天大學(xué)學(xué)報.2010.08)由于試驗周期短，誤差小，近年來被廣泛的應(yīng)用在對流換熱系數(shù)測量試驗中。通常所說的瞬態(tài)法是通過瞬時提高來流溫度或者壁面溫度來達(dá)到溫度階躍，測量窄幅熱色液晶顯色時間，通過求解一維半無限大平板非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程得到測量表面的對流換熱系數(shù)。試驗中要求達(dá)到的溫度階躍通常不容易實現(xiàn)，只能是近似階躍，需要進(jìn)行逐級階躍或者指數(shù)函數(shù)進(jìn)行修正。但是如果試驗中存在渦流，采取突然提高來流溫度的方法，并不能確定渦流溫度隨時間的變換曲線，引入了較大的誤差。應(yīng)用集總參數(shù)法(見參考文獻(xiàn)[2]：張榮華,聶恒敬.對流換熱系數(shù)測定的一種新方法.能源研究與信息.2000.)同樣可以用來測量對流換熱系數(shù)，此方法是以傳熱學(xué)中非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱求解法中的數(shù)學(xué)分析法集總參數(shù)分析法為基礎(chǔ)設(shè)計的特定環(huán)境下的對流換熱系數(shù)測定方法，此方法中采用鉑電阻作為測溫元件。

對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如航空發(fā)動機(jī)的空氣系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測速方法由于布置困難和造價等方面因素而難以實現(xiàn)，因此需要一種新型的、高性價比、易于布置的測速方法來應(yīng)用在這些特殊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種采用雙熱電偶測量流體速度的方法，測量元件采用兩個大小相同但材料不同、空間位置接近的熱電偶，利用數(shù)據(jù)采集卡對兩個熱電偶的測量溫度值進(jìn)行采集?？紤]測量噪聲干擾和測量分辨率問題，基于集總參數(shù)法和樣條擬合方法，對熱電偶表面對流換熱系數(shù)進(jìn)行擬合；得到對流換熱系數(shù)后基于量綱經(jīng)驗關(guān)系式得到流速與對應(yīng)的對流換熱系數(shù)關(guān)系式，從而得到流場的流速信息。

本發(fā)明提供的所述采用雙熱電偶測量流體速度的方法，包括如下步驟：

步驟一：選取兩個熱電偶；

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密度和比熱容；

步驟二：對選取的熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，確定熱電勢和溫度對應(yīng)關(guān)系；

步驟三：制作雙熱電偶測速裝置，選取對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置采集雙熱電偶的測量溫度；

步驟四：在試驗環(huán)境中布置雙熱電偶測速裝置；

步驟五：利用雙熱電偶測速裝置對流場進(jìn)行實時測量，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集兩個熱電偶的電勢信號，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的溫度數(shù)字信號，即得到每一時刻τ的溫度測量值t₁(τ)和t₂(τ)，對溫度測量值進(jìn)行后處理得到所測點(diǎn)的實時動態(tài)速度變化；

步驟六：熱電偶在實際測量過程中，當(dāng)出現(xiàn)測溫異常點(diǎn)時，若是熱電偶壞死則更換新的熱電偶，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)，此熱電偶裝置仍可應(yīng)用于接下來的流體動態(tài)速度測量中。

本發(fā)明所述的采用雙熱電偶測量流體速度的方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以測量出流場中的溫度信息頻率響應(yīng)；

(2)可以依據(jù)量綱關(guān)系式得到流體速度信息。對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜流動，尤其是對于旋轉(zhuǎn)件來說，其速度測量較困難，本發(fā)明由于只涉及安裝兩個熱電偶，安裝簡單，可以得到復(fù)雜流場定性的速度分布；

(3)本發(fā)明既可以應(yīng)用在可壓流中，也可以應(yīng)用在不可壓流中；

(4)本方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)，精度水平符合測量要求。但由于本發(fā)明所涉及的流速測量僅從數(shù)值上考慮，對流速的方向無法得到，因此對于需求得到流速方向信息的測量需求無法滿足。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中兩個熱電偶裝置示意圖；

圖2為雙熱電偶法測量流體速度后處理程序邏輯圖；

圖3為實施例中試驗系統(tǒng)簡圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種采用雙熱電偶測量流體速度的方法，所述方法的原理包括雙熱電偶測量流體速度原理和數(shù)據(jù)后處理擬合原理。

雙熱電偶測量流體速度原理：通過兩個相同尺寸大小，但不同材料(即密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等不同)的熱電偶測量同一空間點(diǎn)的溫度值，其安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，熱電偶A1和熱電偶B2大小相同，材料不同，其空間距離足夠近，且不會相互影響，或影響較小，認(rèn)為其測量的是空間同一點(diǎn)的溫度值。兩個熱電偶之間的間距L與熱電偶直徑D相關(guān)，其適用關(guān)系式為L/D＝1.0～3.0，布置時正對來流方向。基于所述的兩個熱電偶，通過建立零維傳熱模型，基于集總參數(shù)法，實現(xiàn)對動態(tài)速度的測量。對于一般的熱電偶，由于其結(jié)點(diǎn)尺寸較小，滿足集總參數(shù)法的判據(jù)，即Bi≤0.033，Bi數(shù)為畢渥數(shù)，表征固體內(nèi)部單位導(dǎo)熱面積上的導(dǎo)熱熱阻與單位表面積上的換熱熱阻之比。熱電偶內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻可以忽略不計，又熱電偶的幾何尺寸一致，流體流過熱電偶表面，其努賽爾數(shù)Nu可以認(rèn)為相同，故而兩個熱電偶表面的對流換熱系數(shù)相同。

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

$\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=a{\▿}^{2}t+\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}{\mathrm{\ρ}c}---\left(1\right)$

其中，t為溫度，τ為時間，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。

由于熱電偶內(nèi)部熱阻可以忽略，溫度與空間坐標(biāo)無關(guān)，故溫度的二階導(dǎo)數(shù)為0，公式(1)可化簡為：

$\frac{dt}{d\mathrm{\τ}}=\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}{\mathrm{\ρ}c}---\left(2\right)$

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

$\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}V=-Ah(t-t_{\mathrm{\∞}})---\left(3\right)$

其中，V為熱電偶體積，A為熱電偶表面積，h為熱電偶表面對流換熱系數(shù)，t為熱電偶內(nèi)部溫度，t_∞為流體溫度。

將式(3)帶入簡化的微分方程(2)有：

$\mathrm{\ρ}cV\frac{dt}{d\mathrm{\τ}}=-hA(t-t_{\mathrm{\∞}})---\left(4\right)$

在τ時刻，處于加熱狀態(tài)時，采用雙熱電偶測單點(diǎn)溫度，有：

${\mathrm{\ρ}}_1{c}_1{V}_1\frac{{\mathrm{dt}}_1}{d\mathrm{\τ}}=h_1\left(\mathrm{\τ}\right)A_1\left({\mathrm{Tf}}_1\right(\mathrm{\τ})-t_1(\mathrm{\τ}\left)\right)---\left(5\right)$

${\mathrm{\ρ}}_2{c}_2{V}_2\frac{{\mathrm{dt}}_2}{d\mathrm{\τ}}=h_2\left(\mathrm{\τ}\right)A_2\left({\mathrm{Tf}}_2\right(\mathrm{\τ})-t_2(\mathrm{\τ}\left)\right)---\left(6\right)$

其中Tf₁(τ)、Tf₂(τ)分別為τ時刻兩個熱電偶周圍的流體溫度，t₁(τ)、t₂(τ)分別為τ時刻兩個熱電偶的測量溫度；V₁、V₂分別為兩個熱電偶的體積，并有V＝V₁＝V₂；A₁和A₂分別為兩個熱電偶的表面積，并有A₁＝A₂＝A；h₁(τ)和h₂(τ)分別為兩個熱電偶表面的對流換熱系數(shù)，并有h₁(τ)＝h₂(τ)＝h(τ)；ρ₁、ρ₂分別為兩個熱電偶的密度，c₁、c₂分別為兩個熱電偶的比熱容。

由于兩個熱電偶距離足夠近，可以視為測量同一點(diǎn)的溫度，其流體溫度可以看作一致，即Tf₁(τ)＝Tf₂(τ)，將上述兩式(5)和式(6)作差值可以得到：

ρ₁c₁Vdt₁/dτ-ρ₂c₂Vdt₂/dτ＝h(τ)At₂(τ)-h(τ)At₁(τ) (7)

化簡得到：

$h\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{V}{A}\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1{\mathrm{dt}}_1/d\mathrm{\τ}-{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2{\mathrm{dt}}_2/d\mathrm{\τ}}{t_2\left(\mathrm{\τ}\right)-t_1\left(\mathrm{\τ}\right)}---\left(8\right)$

由于假設(shè)熱電偶為常物性參數(shù)，上式中ρ₁、ρ₂、c₁、c₂均已知，t₁、t₂為兩個熱電偶的測量溫度，dt₁/dτ、dt₂/dτ為所測τ時刻的溫度隨時間的變化率，可通過差分方法求得，通過此式(8)可以求得修正后的流體實時的對流換熱系數(shù)h(τ)。

由于上述公式推導(dǎo)中引入了一些假設(shè)，如熱電偶物性參數(shù)為常物性、忽略了熱電偶內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻等。在實際測量中，會在后處理程序中給出此種假設(shè)的補(bǔ)償項，如對于物性參數(shù)為常物性，給出所給熱電偶材料在不同溫度下物性參數(shù)的變化曲線帶入到后處理程序中。

數(shù)據(jù)后處理擬合原理：由公式(8)可以知道兩個熱電偶的對流換熱系數(shù)受各自的溫度變化率dt₁/dτ、dt₂/dτ影響，由于測量誤差的存在，采樣數(shù)據(jù)是具有一定頻率(即每秒取若干個時刻的溫度值)的散點(diǎn)，如果直接采用采樣溫度帶入計算會存在較大的偏差，因此需要先對采樣溫度進(jìn)行平滑化處理，得到連續(xù)的溫度隨時間的變化率曲線。本發(fā)明基于樣條擬合方法，對于含誤差的測量溫度沿時域的變化曲線，選取若干控制點(diǎn)，控制點(diǎn)之間采用樣條方式擬合得到每一時刻經(jīng)平滑化處理的擬合溫度值，并求出擬合值和測量值的誤差，采用最小二乘法使誤差最小。通過本后處理程序，可以同時得到實際流體的流場溫度和熱電偶所在空間點(diǎn)的對流換熱系數(shù)隨時間的變化趨勢。通過數(shù)據(jù)后處理程序得到了熱電偶的對流換熱系數(shù)信息，結(jié)合流體外掠圓球的平均對流換熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式(見參考文獻(xiàn)[3]：Whitaker S.Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes,past flat plates,single cylinders,single spheres,and flow in packed bids and tube bundles[J].AIChE J,1972,18:361-372.)：

$Nu=2+(0.4{\mathrm{Re}}^{1/2}+0.06{\mathrm{Re}}^{2/3}){\mathrm{Pr}}^{0.4}{\left(\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\∞}}}{{\mathrm{\η}}_w}\right)}^{1/4}---\left(9\right)$

其中雷諾數(shù)Re＝u_∞D/ν_∞，其中u_∞為來流的流體速度，ν_∞為運(yùn)動學(xué)粘性系數(shù)；努賽爾數(shù)Nu＝hD/k_∞，其中h為對流換熱系數(shù)，D為熱電偶直徑，k_∞為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，定性溫度為流體溫度T_∞，Pr為普朗克數(shù)，表明溫度邊界層和流動邊界層的關(guān)系，反映流體物理性質(zhì)對對流傳熱過程的影響，η_∞和η_w分別為流體和熱電偶固體壁面的粘性系數(shù)。式(9)適用范圍為0.71＜Pr＜380，3.5＜Re＜7.6×10⁴，

對流換熱是流體的導(dǎo)熱和熱對流兩種基本傳熱方式共同作用的結(jié)果，其影響因素主要有以下五個方面：(1)流動起因；(2)流動狀態(tài)；(3)流體有無相變；(4)換熱表面的幾何因素；(5)流體的物理性質(zhì)。通過控制其他方面影響因素不變，僅改變流動狀態(tài)，可以將對流換熱系數(shù)和流體的流速建立一一對應(yīng)關(guān)系。

將Re數(shù)和Nu數(shù)帶入經(jīng)驗關(guān)系式(9)中，得到流體的流速與對流換熱系數(shù)的關(guān)系式為：

u_∞＝f(h,D,k_∞,v_∞,Pr,η_∞,η_w) (10)

其中對流換熱系數(shù)h經(jīng)雙熱電偶測量得到，D為熱電偶直徑，k_∞,v_∞,Pr,η_∞,η_w等參數(shù)可認(rèn)為是定值，經(jīng)查表(工程常用物質(zhì)的熱物性性質(zhì)手冊)得出，故而對應(yīng)于隨時間變化的對流換熱系數(shù)h，可得到相對應(yīng)的流體速度值，從而可以得到流體速度在所測空間點(diǎn)隨時間的變化趨勢。

基于上述的原理，本發(fā)明提供的雙熱電偶法測量瞬變流體速度的方法，具體步驟如下：

步驟一：選取合適的兩個熱電偶。

選取指標(biāo)是幾何尺寸相同，材料屬性(即熱電偶密度和比熱容之積)相差較大，相差越大，其反推流體溫度與真實流體溫度更接近，同時，針對具體的測試環(huán)境，如高溫環(huán)境，要選取可以耐受環(huán)境溫度的熱電偶。

步驟二：對選取的熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，確定熱電勢和溫度對應(yīng)關(guān)系。

步驟三：制作雙熱電偶測速裝置，選取對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置。制作雙熱電偶的原則是兩個熱電偶盡可能的接近，但不能互相接觸和影響流體流動，如圖1所示，經(jīng)數(shù)值驗證，兩個熱電偶之間的適用間距L與熱電偶的直徑D相關(guān)，適用范圍為L/D＝1.0～3.0。選取的數(shù)據(jù)采集裝置根據(jù)采樣要求和需求頻帶來選取。

步驟四：在試驗環(huán)境中布置雙熱電偶測速裝置，盡量選取對流場影響較小的布置形式，如測點(diǎn)的選取，導(dǎo)線的布置，結(jié)點(diǎn)的位置等。

步驟五：利用雙熱電偶測速裝置對流場進(jìn)行實時測量，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集兩個熱電偶的電勢信號，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的溫度數(shù)字信號，即得到每一時刻τ的溫度測量值t₁(τ)和t₂(τ)，然后導(dǎo)入到雙熱電偶法測速后處理程序中，其后處理邏輯示意圖如圖2所示，從而消除測量誤差的影響，得到所測點(diǎn)的對流換熱系數(shù)隨時間的變化。依據(jù)得到的對流換熱系數(shù)隨時間的變化和相應(yīng)的經(jīng)驗公式，得出所測點(diǎn)的實時動態(tài)速度變化。

所述的后處理程序具體為：

將數(shù)據(jù)采集裝置采集到的兩個熱電偶測量溫度(記為圖2中的TC1和TC2)的采樣結(jié)果導(dǎo)入到雙熱電偶法測量流體溫度的后處理程序中，分別對將兩個熱電偶測量溫度隨時間變化的時序圖上選取若干個控制點(diǎn)(控制點(diǎn)的時間間隔大于采樣間隔)，控制點(diǎn)的初值t₁(τ)和t₂(τ)選取τ時刻的測量值TC1和TC2，采用三次樣條的擬合方法對控制點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到每一時刻的TC1和TC2的擬合值，計算擬合值和測量值的差值，分別用RMS_1和RMS_2表示。基于離散牛頓法(參考文獻(xiàn)[3]：顏慶津.數(shù)值分析[M],第四版,北京航空航天大學(xué)出版社.2012:92)控制所述差值RMS_1和RMS_2取最小值，得到經(jīng)平滑處理后的溫度TC1和TC2。離散牛頓法主要是用來求解可以使得所述差值最小的非線性方程組的解，其具體的MATLAB算法如下所示(對應(yīng)于參考文獻(xiàn)[3]：顏慶津.數(shù)值分析[M],第四版,北京航空航天大學(xué)出版社.2012:92中的算法步驟)：

以其中一個熱電偶的測量溫度TC1為例，TC2的擬合與TC1相同。

每次擬合對k＝1,2,…,M執(zhí)行(其中k為迭代次數(shù)，M為迭代最大步數(shù))

1、對熱電偶測量溫度隨時間變化的時序圖上取控制點(diǎn)，控制點(diǎn)初始值為對應(yīng)時刻的測量值TC1，對控制點(diǎn)進(jìn)行三次樣條曲線擬合，得到熱電偶測量溫度TC1隨時間變化的連續(xù)曲線，即為TC1擬合值。對每一時刻的TC1擬合值和測量值求均方差之和，得到初始誤差，記為RMS⁽⁰⁾；

2、求出某一個控制點(diǎn)分別加上一個步長和兩個步長時，同樣對控制點(diǎn)采用三次樣條曲線擬合方法擬合，得到熱電偶溫度TC1的擬合值和測量值的均方差之和，記為RMS^(k)，并求出F(x^(k))矩陣的值和J(x^(k),h^(k))矩陣的主對角線值。

3、求出某兩個控制點(diǎn)分別加上一個步長時，經(jīng)樣條擬合后的兩個熱電偶溫度的數(shù)值解和測量值的均方差之和，記為RMS_P^(k)，并求出J(x^(k),h^(k))矩陣的非對角線數(shù)值；

4、根據(jù)求出的F(x^(k))和J(x^(k),h^(k))矩陣求解delt_TC1^(k)，即參考文獻(xiàn)[3]中的Δx^(k)；

5、若||delt_TC1^(k)||/||TC1^(k)||<err，則取輸出值為TC1＝TC1^k)，并停止計算；否則轉(zhuǎn)第6步；

6、計算TC1^(k+1)＝TC1^(k)+delt_TC1^(k)；

7、若t<M，則繼續(xù)下一循環(huán)；否則輸出M次迭代不成功的信息，并停止計算。

通過經(jīng)平滑化處理后的熱電偶測量溫度TC1和TC2，得到對應(yīng)時刻的溫度隨時間的變化率dt₁/dτ、dt₂/dτ，帶入公式(8)中即可得到對流換熱系數(shù)隨時間的變化曲線，通過經(jīng)驗公式和查表得到后的流速和對流換熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系式(10)，最終可以得到每一時刻對應(yīng)的流體速度。

步驟六：由于熱電偶在實際測量過程中存在著一定的壞死率，因此當(dāng)出現(xiàn)測溫異常點(diǎn)時要綜合考慮是熱電偶壞死還是流體后處理時出現(xiàn)誤差較大的點(diǎn)，若是熱電偶壞死則更換新的熱電偶，并重復(fù)步驟二至步驟五；若是流體后處理存在問題，確定其是否滿足后處理反推條件，若不滿足則去除誤差較大點(diǎn)，此熱電偶裝置仍可應(yīng)用于接下來的流體動態(tài)速度測量中。

為了研究換熱對容腔瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)律的影響，本發(fā)明還設(shè)計了一個容腔換熱試驗，試驗裝置示意圖如圖3所示，氣源與容腔之間的管路上依次設(shè)置有電磁閥、流量計、壓力表和熱電偶，容腔出口設(shè)置另一個電磁閥用于控制容腔內(nèi)氣體的排出；在所述容腔壁上設(shè)置有四個壓力表；電磁閥控制氣源通路的開閉，流量計和壓力表分別用于測量容腔進(jìn)口的流量和對應(yīng)位置的壓力。容腔外的熱電偶測量進(jìn)氣口的溫度，不需要較快響應(yīng)，因此采用常規(guī)熱電偶即可；容腔內(nèi)需求測量強(qiáng)瞬變過程中的溫度和速度變化，因而采用本發(fā)明提供的雙熱電偶裝置。通過空壓機(jī)將氣源中氣體壓縮至所需氣壓，加熱容腔壁面，直至壁面溫度分布均勻且與容腔內(nèi)氣體溫度一致為止，讀取容腔內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)(腔內(nèi)氣體溫度、腔內(nèi)氣體壓力、腔內(nèi)氣體流速)及壁面溫度作為初始狀態(tài)?？焖匍_啟進(jìn)氣閥門，進(jìn)氣閥門由與氣源相連的電磁閥控制，制造階躍壓力邊界，測試進(jìn)口氣流參數(shù)(壓力、溫度、流量)、腔內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)(壓力、溫度、流速)隨時間演化規(guī)律，最后根據(jù)試驗結(jié)果校準(zhǔn)對應(yīng)的CFD數(shù)值計算模型。

本試驗中采用雙熱電偶裝置測量需求測試點(diǎn)的溫度和流速信息，兩個熱電偶的直徑D為1mm，其中一個熱電偶為K型鋁鎳合金熱電偶，其密度為8600kg/m³，比熱容為523.25J/(kg·K)，另一個熱電偶為R型鉑銠鉑熱電偶，其密度為21450kg/m³，比熱容為133.952J/(kg·K)。兩個熱電偶之間間距L與直徑D之間的關(guān)系為L/D＝1。測點(diǎn)選擇在容腔中心，雙熱電偶裝置正對來流方向，支撐管較細(xì)，對流場影響小。數(shù)據(jù)采集裝置采用研華Adam4118和4520模塊采集和導(dǎo)入到電腦中，經(jīng)后處理程序處理，得到所測點(diǎn)的速度隨時間的變化規(guī)律。雙熱電偶方法一方面可以得到容腔內(nèi)某空間點(diǎn)的瞬態(tài)流體溫度信息，另一方面，基于經(jīng)驗公式可以得到空間點(diǎn)上的流速信息，從而定性的校驗CFD模型。本發(fā)明提供的雙熱電偶方法布置簡單，可測點(diǎn)多，對流場干擾小，具有很好的應(yīng)用性，測量結(jié)果基本符合預(yù)期。