CN102680513B - 剪切流场中非牛顿流体等效热导率测量装置 - Google Patents

Abstract

一种剪切流场中非牛顿流体等效热导率测量装置，包括转动系统和加热系统，所述的转动系统由两个同轴的圆筒组成，其中内圆筒静止，外圆筒旋转，所述的加热系统包括附着在内圆筒内壁上的加热膜，该加热膜与可调直流电源相连，在内圆筒上还安装有与温度显示屏相连接的电阻温度计，在外圆筒的外侧设置有装有恒温水的循环杯，靠近外圆筒壁面的恒温水里设置有热电偶温度计，循环杯上开设有进水管和出水管，恒温水经进水管、出水管与恒温热浴相连。本发明完全能精确地测量典型非牛顿流体在不同剪切速率下的等效热导率。

Description

剪切流场中非牛顿流体等效热导率测量装置

技术领域

本发明属于物理测量技术领域，涉及一种剪切流场中流体等效热导率的测量装置，特别涉及一种剪切流场中非牛顿流体等效热导率测量装置。

背景技术

热导率作为一个重要的流体热物性，在工程应用中被广泛需求，尤其在用数值方法分析流体的流动与传热过程时。目前，工业中用到的许多流体都表现出非牛顿性；而对于非牛顿流体，它的热导率不仅跟流体本身有关，还跟其所处的流动环境有关。但是，由于缺乏理论支撑和有效的测试手段，人们经常用静态下的热导率来代替流动状态下流体的等效热导率，这是极不科学的。剪切流场是工业应用中经常遇到的一种流动环境，因此得到非牛顿流体在剪切流场中的等效热导率具有重要的工程意义和应用价值。当前，国内、外未见关于剪切流场中流体热导率测量的相关专利公布，并且市场上也没有成熟的测量技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够精确测量非牛顿流体在剪切流场中等效热导率的测量装置。本装置能测量不同剪切速率下的等效热导率，分析剪切流场对流体热导率产生的流动效应。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括转动系统和加热系统，所述的转动系统由两个同轴的圆筒组成，其中内圆筒静止，外圆筒旋转，内圆筒由连接杆固定，外圆筒与马达相连，被测流体（1）设置于内圆筒与外圆筒之间的腔体内；

所述的加热系统包括附着在内圆筒内壁上的加热膜，该加热膜与可调直流电源相连，在内圆筒上还安装有与温度显示屏相连接的电阻温度计，在外圆筒的外侧设置有装有恒温水的循环杯，靠近外圆筒壁面的恒温水里设置有热电偶温度计，循环杯上开设有进水管和出水管，恒温水经进水管、出水管与恒温热浴相连。

所述的马达与转速控制器相连，其精度能达到0.1转/分钟，最大转速能达到1000转/分钟。

所述的外圆筒通过螺纹连接到马达的转动轴上。

所述的加热膜通过导热胶粘附在内圆筒内壁面上，通过导线与可调直流电源相连接。

所述的电阻温度计设置在内圆筒同一径向不同高度的两个位置上，通过连线与温度显示屏相连。

所述的内圆筒内填充有保温棉，上下端用胶木，阻止热量的损失。

所述的外圆筒上下段为胶木，中间段为紫铜。

所述的外圆筒的外壁上焊上六条增强对流换热的翅片。

本发明基于由剪切流场中的一维能量方程推导出的热导率计算公式，根据测量出的各个参数计算出被测流体的等效热导率。热量沿着径向方向从内向外传输，内圆筒温度高，外圆筒温度低。由于剪切场中的流体没有径向速度和轴向速度，其稳态能量方程为：

$\frac{1}{r}\frac{d}{\mathrm{dr}}\left(\mathrm{kr}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dr}}\right)+\mathrm{\μ}{(\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{dr}}-\frac{u_{\mathrm{\θ}}}{r})}^2=0---\left(1\right)$

假设粘性耗散可以忽略（详见误差分析），则从上式可得热导率：

$k\left(\mathrm{\γ}\right)=\frac{Q\ln (r_o/r_i)}{2\mathrm{\πl}(T_i-T_o)}---\left(2\right)$

假设径向的剪切率变化可以忽略，则剪切率：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\πnd}}_o}{30(d_o-d_i)}---\left(3\right)$

式中n为外圆筒的转速，d_i和d_o分别为内圆筒的外径、外圆筒的内径。

根据式（2），只要测得内圆筒的壁面温度(T_i)、外圆筒的壁面温度(T_o)、加热功率(Q)、外圆筒的转速(n)以及内外圆筒的直径(d_o、d_i)，就可以计算得到流体的热导率。

附图说明

图1为测量装置系统图；

图2为测量原理图；

图3为内、外圆筒详细结构图；

图4为外圆筒外壁的翅片布置图；

图5为4种不同纳米流体热导率测量结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本测量装置主要由两部分组成：转动系统和加热系统。转动系统是为了产生剪切Couette流动，由两个同轴的圆筒组成，其中内圆筒2静止，外圆筒3旋转。内圆筒2由连接杆20固定，外圆筒3通过马达10带动产生旋转，转速由转速控制器11控制，精度能达到0.1转/分钟，最大转速能达到1000转/分钟。外圆筒3通过螺纹连接到转动轴上，每次更换被测流体1时需要把外圆筒3取下来。

参见图3，加热系统主要由热量供给部分和温度测量部分组成。内圆筒2内壁附有加热膜13，由电流（可调直流电源9提供）产生热量，该热量沿着径向通过内圆筒2的壁面传到位于两圆筒间隙处的被测流体1，再通过外圆筒3传到循环杯5内的恒温水4。加热功率通过直流电源9的电流和电压计算得到。内圆筒2壁面温度通过电阻温度计17直接测得，外圆筒3壁面温度用靠近壁面的恒温水4温度来代替，该温度通过热电偶温度计测得。恒温水4温度由恒温热浴8控制，通过循环杯5进行循环（进水管7和出水管6），循环杯5把外圆筒3包裹在内。

内圆筒2的详细结构如图3所示。加热膜13通过导热胶粘附在内圆筒2内壁面上，电流由直流电源9提供，通过导线14连接到加热膜13，最大加热功率能达到80W。在内圆筒2同一径向不同高度的两位置上布置两个电阻温度计17来测量壁面温度，温度值由连线16传输到温度显示屏12。此布置可得到内圆筒2壁面温度的轴向分布。最后把两个温度计的平均温度作为内圆筒2壁面温度。内圆筒2的中心全部填充保温棉15来阻止热量沿着径向方向往内传输,而上下端用胶木18来阻止热量向上和向下传输。内圆筒2通过连接杆20固定在试验台固定架上。

外圆筒3结构较简单（图3所示），顶部通过螺纹连接到旋转轴，上下段为胶木19，中间段为紫铜。因为外圆筒3的壁面温度是由恒温水4的温度代替，需要保证外圆筒3与恒温水4之间的对流换热很强烈，减小外圆筒3壁面温度测量的误差。因此，在外圆筒3的外壁上焊上六条翅片，以增强对流换热，如图4所示。

本测量装置的操作步骤如下：

1）把外圆筒3卸下，装上一定量的被测流体1，保证被测流体1的高度达到加热段的顶部；

2）安装外圆筒3和循环杯5，保证外圆筒3处于循环杯5内并且没有接触；

3）启动恒温热浴8，设定恒温热浴8温度，打开循环开关，调节进水管7的阀门，使恒温水4在循环杯5内达到一定的高度；

4）接通直流电源9，调节电压电流大小，保证内、外圆筒壁面温差在5℃左右，记录电压电流值；

5）设定转速控制器11的转速，开动马达10，记录转速；

6）待5-10分钟系统达到稳定后，记录电阻温度计17两个温度值，同时测量靠近外圆筒3的恒温水4温度；

7）根据测得的参数，由式（2）计算得到当前转速下被测流体1的等效热导率；

8）调节转速控制器11的转速，从步骤（5）重复，即可得到不同剪切速率（转速）下的等效热导率；

9）若测量不同的被测流体1，从步骤（1）重新开始即可。

误差分析：

1）粘性耗散：对于非牛顿流体，粘性耗散对流体热导率的测量有很明显的影响。对于一个幂律流体，粘性耗散的影响程度可以通过一个准则数Brinkman(Br)数来衡量，其为

$\mathrm{Br}=\frac{K{\left(r_o{\mathrm{\ω}}_o\right)}^{n+1}}{2k_0{r}_i^{n-1}(T_i-T_o)}---\left(4\right)$

式中，K为幂律流体的稠度系数，n为幂律流体的流变指数，k₀为零剪切率时流体的热导率。当Br数接近零时，粘性耗散就可以被忽略。

2）自然对流：在垂直的小空间（缝隙）内，当Rayleigh(Ra)数Ra＜1000时，自然对流的影响微乎其微。Ra被定义为

$\mathrm{Ra}=\mathrm{GrPr}=\frac{{\mathrm{g\α}}_v{\mathrm{\Δtl}}^3}{\mathrm{av}}---\left(5\right)$

式中，α_v为1/T，a为热量扩撒系数，v为运动粘度。

3）二次流：旋转Couette流在一定的条件下会出现二次流动，对于非牛顿流体，由Taylar(Ta)数来预测二次流的产生。对于特定的流体，当Ta数小于某一临界值时就不会出现二次流。

4）温度测量：温度计首先都要经过标准温度计(RTD)的校验（存在校验误差），内圆筒的两个温度计测量值之间存在一定的偏差，另外热电偶测得的恒温水温度与实际外圆筒壁面温度之间存在一个偏差，这些都要计入测量结果的误差分析中。

5）热损失：输入的热量并没有全部沿径向方向从内往外传输，还有一部分热量传到其它部分（热损失）。在计算热导率时要扣除热损失，即Q_actual=Q_input*(1-q_loss)。

6）圆筒偏心：圆筒的偏心会引起内外圆筒之间的环面沿着轴向方向不均匀，最终导致测量的热导率偏小。另外，圆筒的偏心会引起流体的混合，但是这种影响无法评估。

7）剪切率的变化：在径向由于存在温度梯度，导致流体粘性的变化，使得剪切率从内到外减小。

测量实例

利用本装置测量了不同纳米流体（颗粒直径d=10nm，4种不同体积分数Φ=1.96、3.92、8.57和12.85%）在不同剪切速率下的等效热导率，如图5所示。从图中可以看出，纳米流体的等效热导率ke随着剪切速率γ的增加而增加，并且体积分数越大热导率越大。由此可看出，通过本测量装置能精确测量纳米流体（一种典型的非牛顿流体）的等效热导率，探究非牛顿流体热导率的流动效应。

综上所述，本发明实现了预期的目标，完全能精确地测量典型非牛顿流体在不同剪切速率下的等效热导率。

Claims (4)

1.一种剪切流场中非牛顿流体等效热导率测量装置，其特征在于：包括转动系统和加热系统，所述的转动系统由两个同轴的圆筒组成，其中内圆筒(2)静止由连接杆(20)固定，且内圆筒(2)内填充有保温棉(15)，上下端用胶木(18)，阻止热量的损失；外圆筒(3)旋转，且外圆筒(3)上下段为胶木(19)，中间段为紫铜，外圆筒(3)的外壁上焊上六条增强对流换热的翅片；外圆筒(3)通过螺纹连接到马达(10)的转动轴上，被测流体(1)设置于内圆筒(2)与外圆筒(3)之间的腔体内；

所述的加热系统包括附着在内圆筒(2)内壁上的加热膜(13)，该加热膜与可调直流电源(9)相连，在内圆筒(2)上还安装有与温度显示屏(12)相连接的电阻温度计(17)，在外圆筒(3)的外侧设置有装有恒温水(4)的循环杯(5)，靠近外圆筒(3)壁面的恒温水里设置有热电偶温度计，循环杯(5)上开设有进水管(7)和出水管(6)，恒温水经进水管(7)、出水管(6)与恒温热浴(8)相连。

2.根据权利要求1所述的剪切流场中非牛顿流体等效热导率测量装置，其特征在于：所述的马达(10)与转速控制器(11)相连，其精度达到0.1转/分钟，最大转速能达到1000转/分钟。

3.根据权利要求1所述的剪切流场中非牛顿流体等效热导率测量装置，其特征在于：所述的加热膜(13)通过导热胶粘附在内圆筒(2)内壁面上，通过导线(14)与可调直流电源(9)相连接。

4.根据权利要求1所述的剪切流场中非牛顿流体等效热导率测量装置，其特征在于：所述的电阻温度计(17)设置在内圆筒(2)同一径向不同高度的两个位置上，通过连线(16)与温度显示屏(12)相连。