本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特涉及一種瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，特別是應(yīng)用于渦輪葉片內(nèi)冷通道、沖擊冷卻靶面等模型實(shí)驗(yàn)中的對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

在以往的流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)研究中，使用較多的是穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，比如銅塊加熱法、薄膜加熱法等應(yīng)用的都比較成熟。由于其原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，所以一直是人們獲得壁面換熱系數(shù)的主要手段，但是穩(wěn)態(tài)方法也存在著自身不可避免的缺陷。對(duì)于一個(gè)流動(dòng)換熱的過(guò)程來(lái)說(shuō)，流動(dòng)的穩(wěn)定是十分迅速的，而換熱的穩(wěn)定卻是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，往往需要幾十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)，這就使得穩(wěn)態(tài)方法的實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，需要耗費(fèi)大量的人力和物力。并且某些復(fù)雜的表面很難提供等熱流邊界條件。

相比于穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)，瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)具有非常大的優(yōu)勢(shì)。其核心思想都是利用一定條件下的瞬態(tài)傳熱過(guò)程的解析解(通常表示成物體溫度與時(shí)間、物性參數(shù)以及換熱特性參數(shù)的函數(shù)關(guān)系)，與實(shí)驗(yàn)獲得瞬態(tài)過(guò)程的溫度變化(即溫度-時(shí)間的曲線)進(jìn)行對(duì)比，從而獲得所需要的換熱特性參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法。本發(fā)明采用瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，該方法是基于一維半無(wú)限大平板的基本假設(shè)，通過(guò)理論分析得到其非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程的解析解。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)低導(dǎo)熱系數(shù)的有機(jī)玻璃板來(lái)模擬一維半無(wú)限大的平板，通過(guò)熱電偶記錄下氣流溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程，通過(guò)CCD相機(jī)記錄下壁面溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程，最后通過(guò)迭代求解解析解的方程，得到壁面的對(duì)流換熱系數(shù)。本發(fā)明解決了穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，耗費(fèi)大量人力物力等技術(shù)缺陷，可快速實(shí)現(xiàn)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)量。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，

包括對(duì)瞬態(tài)液晶進(jìn)行標(biāo)定的步驟和測(cè)量的步驟，其特征在于：

所述的對(duì)瞬態(tài)液晶進(jìn)行標(biāo)定的步驟包括如下步驟：

標(biāo)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(tài)液晶，使CCD相機(jī)和冷光源正對(duì)銅塊表面，微調(diào)加在加熱絲上的電壓，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定后，使銅塊的溫度處在30℃-50℃之間，溫度值用熱電偶測(cè)得，通過(guò)CCD相機(jī)拍下此時(shí)液晶表面的照片，獲得液晶顯現(xiàn)紅色時(shí)色度值；

標(biāo)定步驟2、將溫度值T與色度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合成經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；

測(cè)量的步驟包括如下步驟：

測(cè)量步驟1、流動(dòng)通道四周以及底部由絕熱材料圍繞，流動(dòng)通道上方分別依次設(shè)置黑漆、瞬態(tài)液晶、有機(jī)玻璃板，其中黑漆、瞬態(tài)液晶的厚度、型號(hào)和標(biāo)定過(guò)程中完全相同，在流動(dòng)通道底部的絕熱材料設(shè)置沖擊孔，沖擊孔旁設(shè)置熱電偶，沖擊孔與氣源連接；并在絕熱材料旁邊布置一個(gè)秒表，CCD相機(jī)和冷光源正對(duì)有機(jī)玻璃板表面，采集系統(tǒng)與CCD相機(jī)相連，采集系統(tǒng)用于采集圖像和數(shù)據(jù)處理；

測(cè)量步驟2、打開(kāi)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集程序，打開(kāi)氣源，調(diào)節(jié)通過(guò)沖擊孔的流量，使整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)狀態(tài)保持穩(wěn)定，氣流溫度通過(guò)熱電偶測(cè)量，整個(gè)系統(tǒng)在室溫的狀態(tài)下達(dá)到熱平衡狀態(tài)；打開(kāi)數(shù)據(jù)采集程序通過(guò)熱電偶對(duì)氣流溫度進(jìn)行采集；打開(kāi)CCD相機(jī)對(duì)瞬態(tài)液晶圖像進(jìn)行錄像；在某一時(shí)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(guò)數(shù)據(jù)采集程序及熱電偶記錄下溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。

根據(jù)如上所述的瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，其特征在于：所述的標(biāo)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(tài)液晶厚度低于5μm，所述的瞬態(tài)液晶和黑漆的噴涂采用氣動(dòng)美工噴筆，噴嘴直徑為0.3mm，所述的黑漆和瞬態(tài)液晶的噴涂采用多次噴涂的方式，相鄰兩次噴涂過(guò)程的噴槍走向?yàn)榇怪闭蛔呦颉?/p>

根據(jù)如上所述的瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，其特征在于：所述的測(cè)量步驟1中有機(jī)玻璃板的厚度為10mm，其表面積與標(biāo)定過(guò)程中銅塊的表面積一致。

根據(jù)如上所述的瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，其特征在于：還包括進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的步驟，數(shù)據(jù)處理時(shí)首先將實(shí)驗(yàn)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(jù)照片上的LED指示燈對(duì)應(yīng)的時(shí)間確定加熱開(kāi)始時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的照片序號(hào)i.jpeg。

根據(jù)如上所述的瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，其特征在于：還包括獲得了實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)位置的步驟，具體方位為按順序逐張掃描照片中的實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)色度值5≤hue≤10所在的像素點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)及對(duì)應(yīng)的圖片序號(hào)。

根據(jù)如上所述的瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，其特征在于：還包括利用公式求解換熱系數(shù)的步驟，包括以下兩個(gè)公式

其中，n＝j(luò)-i，T_c(τ_i)為i時(shí)間的熱電偶采集的溫度值；T₀為熱平衡狀態(tài)時(shí)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(dǎo)熱系數(shù)，該三個(gè)參數(shù)均為常量，可以測(cè)量，β為未知數(shù)。

根據(jù)如上所述的瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，其特征在于：所述的β根據(jù)公式3獲得，

其中β的范圍是0≤β＜3.546。

本發(fā)明的有益效果是：與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的方法相比，本發(fā)明能在很大程度上解決目前穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、精度低等問(wèn)題，可以在60秒內(nèi)完成對(duì)表面對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)量，大大降低了實(shí)驗(yàn)人員的時(shí)間，同時(shí)節(jié)約了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，降低了實(shí)驗(yàn)成本。采用牛頓迭代法求解換熱系數(shù)h，可以使換熱系數(shù)的誤差低于0.3％，提高了測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的瞬態(tài)液晶標(biāo)定裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)過(guò)程樣品測(cè)試的布置圖；

圖3為β的求解流程圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：CCD相機(jī)1、冷光源2、瞬態(tài)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(jī)玻璃板11、采集系統(tǒng)12、LED指示燈13。

具體實(shí)施方式

名稱解釋：瞬態(tài)液晶是一種在一定溫度范圍內(nèi)，可以在不同溫度下，顯現(xiàn)不同顏色的液晶。

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案中所涉及的各個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題。應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。

本發(fā)明的瞬態(tài)液晶用于測(cè)量對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，可用于平板流動(dòng)通道內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)量，也可以使用與帶有弧形不規(guī)則表面的對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)量。該方法利用了瞬態(tài)液晶在不同溫度下顯示不同顏色的特點(diǎn)，通過(guò)突然改變氣流的溫度，使得被測(cè)表面的液晶隨時(shí)間發(fā)生變化，利用圖像采集系統(tǒng)記錄下液晶的變化過(guò)程，通過(guò)單色液晶捕捉技術(shù)以及基于一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程的反問(wèn)題求解算法獲得被測(cè)量表面的對(duì)流換熱系數(shù)。該方法的步驟如下(見(jiàn)圖1和圖2)：

首先，對(duì)瞬態(tài)液晶進(jìn)行標(biāo)定，獲得瞬態(tài)液晶溫度值T與色度值hue的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合成經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，標(biāo)定過(guò)程包括如下步驟：

標(biāo)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(tài)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(gè)銅塊的溫度均勻，保證標(biāo)定的準(zhǔn)確。黑漆4的厚度低于20μm，瞬態(tài)液晶厚度低于5μm。瞬態(tài)液晶3和黑漆4的噴涂采用氣動(dòng)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(guò)程的噴槍走向?yàn)榇怪闭蛔呦颍@樣可以充分的保證黑漆4和液晶3的均勻性，利于測(cè)溫的準(zhǔn)確。CCD相機(jī)1和冷光源2正對(duì)銅塊表面。微調(diào)加在加熱絲6上的電壓，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定后，使得整個(gè)銅塊5的溫度處在30℃-31℃之間，溫度值T用熱電偶7測(cè)得。此時(shí)使瞬態(tài)液晶3的顯色處在紅色的狀態(tài)下，通過(guò)CCD相機(jī)1拍下此時(shí)液晶表面的照片，通過(guò)圖像分析軟件，獲得液晶顯現(xiàn)紅色時(shí)色度值(5<hue<10)，其中hue代表色度值。選用紅色作為標(biāo)定顏色具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，一是紅色比較明顯，利于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行捕捉，二是液晶顯現(xiàn)紅色的時(shí)候?qū)?yīng)的溫度最低，這樣可以使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在較低的溫度狀態(tài)下完成，有利于節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

標(biāo)定步驟2、將溫度值T與色度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合成經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，以便在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以根據(jù)色度值反求出溫度值T。

然后利用瞬態(tài)液晶溫度值T與色度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行流動(dòng)通道對(duì)流換熱系數(shù)的非穩(wěn)態(tài)測(cè)量，包括以下步驟：

測(cè)量步驟1、本實(shí)施例中，在流動(dòng)通道四周以及底部由絕熱材料9圍繞，流動(dòng)通道上方分別依次設(shè)置黑漆4、瞬態(tài)液晶3、有機(jī)玻璃板11，其中黑漆4、瞬態(tài)液晶3的厚度、型號(hào)和標(biāo)定過(guò)程中完全相同，有機(jī)玻璃板11的厚度最好為10mm，其表面積最好與標(biāo)定過(guò)程中銅塊5的表面積一致，有機(jī)玻璃板11要求透光性好，無(wú)色差。在流動(dòng)通道底部的絕熱材料9設(shè)置沖擊孔8，沖擊孔8旁設(shè)置熱電偶7，沖擊孔8與氣源連接。

本發(fā)明采用與標(biāo)定過(guò)程完全相同的噴涂參數(shù)和次數(shù)，將瞬態(tài)液晶3、黑漆4均勻噴涂在有機(jī)玻璃板11的下表面，以確保與標(biāo)定中的黑漆4、瞬態(tài)液晶3的厚度一致。并在絕熱材料9旁邊布置一個(gè)秒表10，保證CCD相機(jī)1可以拍攝到秒表10，CCD相機(jī)1和冷光源2正對(duì)有機(jī)玻璃板11表面，采集系統(tǒng)12與CCD相機(jī)1相連，采集系統(tǒng)12用于采集圖像和數(shù)據(jù)處理。

測(cè)量步驟2、打開(kāi)采集系統(tǒng)12及數(shù)據(jù)采集程序，讓數(shù)據(jù)采集程序處在監(jiān)控的狀態(tài)下，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以正常工作。打開(kāi)氣源，調(diào)節(jié)通過(guò)沖擊孔8的流量，使整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)狀態(tài)保持穩(wěn)定，氣流溫度通過(guò)熱電偶7來(lái)測(cè)量，并使整個(gè)系統(tǒng)在室溫的狀態(tài)下達(dá)到熱平衡狀態(tài)，即整個(gè)系統(tǒng)的溫度不在隨時(shí)間變化而發(fā)生改變。

打開(kāi)數(shù)據(jù)采集程序通過(guò)熱電偶7對(duì)氣流溫度進(jìn)行采集；打開(kāi)CCD相機(jī)1對(duì)瞬態(tài)液晶3圖像進(jìn)行錄像。在某一時(shí)刻突然改變氣流溫度，使氣流溫度迅速升高到31℃以上。指示燈13同步亮起，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集程序及熱電偶7記錄下溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)T_c(τ_i)。

隨著溫度的提高，整個(gè)液晶表面3的顏色會(huì)發(fā)生變化，等整個(gè)表面的液晶變色完畢，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集程序，輸出保存文件。關(guān)閉CCD相機(jī)1，輸出視頻文件，實(shí)驗(yàn)完成。

完成實(shí)驗(yàn)后，要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理才能獲得液晶表面的對(duì)流換熱系數(shù)。首先用VirtualDub軟件將實(shí)驗(yàn)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(jù)照片上的指示燈13對(duì)應(yīng)的時(shí)間確定加熱開(kāi)始時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的照片序號(hào)i.jpeg。

按順序逐張掃描照片中的實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)色度值5≤hue≤10所在的像素點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)及對(duì)應(yīng)的圖片序號(hào)j.jpeg。如過(guò)在5≤hue≤10范圍內(nèi)有多張照片，只取第一張照片處理。由于相鄰兩張照片之間相隔0.04s，所以(j-i)×0.04即為照片所對(duì)應(yīng)的加熱后的時(shí)間，其中j為色度值剛好跨入5≤hue≤10區(qū)間的最后一張照片的編號(hào)。因此也就獲得了實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)(x,y)位置的T_w(τ_i)。

將步驟5至7所獲得的數(shù)據(jù)帶入下列公式中，便可以求得對(duì)流換熱系數(shù)h。

式1中的n＝j(luò)-i，T_c(τ_i)為i時(shí)間的熱電偶7采集的溫度值；T₀為熱平衡狀態(tài)時(shí)熱電偶7采集的溫度值；

其中，ρ為氣流密度，c為氣流比熱，λ為氣流導(dǎo)熱系數(shù)，該三個(gè)參數(shù)均為常量，可以測(cè)量。

對(duì)換熱系數(shù)的h求解也就是對(duì)公式(1)和公式(2)的求解，但由于未知數(shù)β隱含在指數(shù)函數(shù)和誤差函數(shù)中，無(wú)法直接求解出來(lái)，必須采用數(shù)值解法。常用的數(shù)值解法是牛頓迭代法，但根據(jù)需要求解的實(shí)際情況，如果采用迭代法，計(jì)算量非常巨大，并且收斂也會(huì)較困難?？紤]到求解的并不是一個(gè)單純的數(shù)學(xué)問(wèn)題，而是一個(gè)物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)過(guò)程，所以將物理問(wèn)題與數(shù)學(xué)問(wèn)題結(jié)合起來(lái)考慮。定義函數(shù)f(β)如下：

未知數(shù)β是關(guān)于換熱系數(shù)h的函數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，換熱系數(shù)的范圍是0≤h＜2000。則由公式可知，β的范圍是0≤β＜3.546。因此，只需要在0～3.546區(qū)間內(nèi)找到使f(β)最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的β值。求解程序采用了枚舉法，Δβ＝0.001。求解方法帶來(lái)的換熱系數(shù)的誤差為0.56w/m²·k，誤差小于0.3％，滿足精度的要求。程序的流程如圖3所示。

利用本發(fā)明提出的理論模型和數(shù)據(jù)處理方法可以確定對(duì)流換熱系數(shù)h。

上述CCD相機(jī)1采用每秒24幀的相機(jī)；光源2采用白色冷光源；瞬態(tài)液晶3的變色范圍選用30℃～50℃，這個(gè)范圍的液晶溫度較低，不會(huì)使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有機(jī)玻璃發(fā)生軟化變形，同時(shí)這個(gè)溫度略高于室溫，會(huì)在溫度升高過(guò)程中變色迅速，利于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確。有機(jī)玻璃板11的厚度要在10mm～20mm之間，這樣可以使得測(cè)量方法基于的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的所推導(dǎo)出來(lái)的解析解準(zhǔn)確，進(jìn)而保證了測(cè)量結(jié)果的精確度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程要低于60秒；氣流溫度要突然升高到30℃以上，并且升溫時(shí)間要低于5秒，這樣可以在節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)，降低實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差。指示燈13要與氣流溫度改變同步。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。