CN105492895A - 用于确定绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点的方法和测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于借助于热摄影术确定绕流的面(1)上的壁剪切应力和/或转变点的方法，其中该方法包括如下步骤：在要绕流的面(1)上提供具有隔热层(3)的表面，对要绕流的面(1)进行绕流，加热绕流的面(1)，借助于摄像系统(7)无接触地测量绕流的面(1)的输出的流动强度，确定绕流的面(1)上的至少一个温度衰减系数并且求得绕流的面(1)上的壁剪切应力和/或转变点。本发明还涉及一种用于确定绕流的面(1)上的壁剪切应力和/或转变点的测量设备和/或涉及到流中的热传递的定性的显示。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于确定绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点的方法。此外，本发明涉及一种根据权利要求12所述的测量设备。
背景技术
为了理解绕流的体部上的流动过程重要的是：借助于测量确定层流和涡流之间的过渡点或转变点。此外，对此应用所谓的热膜风速测量法，所述热膜风速测量法例如沿着绕流的体部的线求得转变点。借助于热膜风速测量法测量和相应的标定能够确定壁剪切应力。
发明内容
本发明的目的是：提出一种用于确定绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点的新型的无接触的方法。此外，本发明的目的是提出一种相应的测量设备。
根据本发明的目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。此外，所述目的通过具有权利要求12的特征的测量设备来实现。
因此根据本发明，提出用于借助于热摄影术确定绕流的面上的转变点的方法。借助该方法能够附加地或替选地确定绕流的面上的壁剪切应力。
通常，转变点描述尤其是沿着面、在空间中或沿着线从层流到涡流的转变点，或从涡流到层流的转变点。转变点也称作为流的非稳定点。
热摄影术描述用于测量和/或显示物体的温度、尤其是表面温度的成像方法。在此，将从例如物体的一个点或面发出的红外辐射的强度认作为用于其温度的度量。
为了确定转变点和/或壁剪切应力，根据本发明的方法包括如下步骤：在要通流或要绕流的(简称：绕流的)面上提供具有隔热层的表面；对要绕流的面进行通流或绕流(简称：绕流)；加热绕流的面；借助于摄像系统无接触地测量绕流的面的输出的热量；确定绕流的面上的至少一个温度衰减系数；以及求得绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点或将到流中的热传递定性地可视化。
根据本发明的测量设备设置、构建和/或配置用于确定绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点。此外，测量设备配置用于至少执行下述方法步骤：加热绕流的面；借助于摄像系统无接触地测量绕流的面的输出的热量；确定绕流的面上的至少一个温度衰减系数并且求得绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点。对此，所述测量设备具有相应所需的设备。
在全部上面的和下面的实施方案中，表述“能够是”或者“能够具有”等与“优选是”或“优选具有”等应理解是同义的并且应阐述根据本发明的实施方式。
本发明的有利的改进形式分别是从属权利要求和实施方式的主题。
根据本发明的实施方式能够具有一个或多个下述特征。
如在此所使用的术语“隔热层”表示具有低的导热特性的层。材料或物质中的热传导的度量是材料或物质的导热性。导热性是物质特性。
隔热层能够称作为具有差的导热特性的层。如果例如隔热层的表面借助于热源加热(例如通过热辐射)，那么热量仅以小的程度被所述隔热层传递(或仅以小的程度在表面上传递)。
通常不存在对导热性的限制。当然指出：有利的是：隔热层的导热性最多是基础材料的导热性的五分之一。
例如能够将如100μm的环氧树脂漆用作为隔热层。
在一些根据本发明的实施方式中，隔热层均具有几微米(μm)、例如0.1μm和500μm之间的厚度。
隔热层能够称作为热绝缘层。
在一些根据本发明的实施方式中，将隔热层施加进而提供到要绕流的面的表面上。例如，隔热层能够可脱离地或不可脱离地施加和固定在表面上，尤其借助于粘接来固定。替选地，隔热层能够被涂漆、蒸镀、附着、熔焊(例如借助于点焊)、钎焊和夹紧。上述固定方法的组合根据本发明同样是可行的。
在一定的根据本发明的实施方式中，已经以预制的方式在表面上提供具有隔热层的要绕流的面。例如，隔热层能够在特别的制造条件下(例如真空下)与要绕流的面在其他的地方被制造。
在一些根据本发明的实施方式中，对要绕流的面主动地进行绕流。如在此所使用的术语“主动”表示直接偏转到要绕流的面上的流，这例如在如下风洞中的模型中是这种情况，在所述风洞中流偏转到模型上，以便研究特定的流动现象。模型例如能够是具有翼型的飞行器、涡轮机中的定子叶片或用于确定风阻的汽车模型。
在一些根据本发明的实施方式中，对要绕流的面被动地进行绕流。如在此所使用的术语“被动”表示强制地对型材绕流的流，因为型材本身运动。这例如在燃气轮机的转子叶片(或叶轮)中出现，所述转子叶片经受绕流，因为转子叶片本身运动(处于旋转中)。
在特定的根据本发明的实施方式中加热绕流的面，尤其是短暂地加热。
绕流的面的加热在一些根据本发明的实施方式中在隔热层的自由表面上加热，即在隔热层的不直接与绕流的面连接的侧上加热。
在一些根据本发明的实施方式中，借助于摄像系统，尤其借助于红外摄像系统无接触地测量绕流的面的输出的热量。红外摄像也称作为热成像摄像或热摄影摄像。
在一些根据本发明的实施方式中，无接触地面状地测量绕流的面的输出的热量。在此，面状的测量应理解为如下测量，所述测量不借助于点状的或线状的测量或扫描(例如在所谓的线扫描方法中)逐步地构建面状的测量，而是所述测量借助唯一一次测量检测要测量的面。该面状的测量能够称作为整面的测量。
在一些根据本发明的实施方式中，绕流的面的输出的热量无接触地立体地和/或二维地在表面上测量。
在特定的根据本发明的实施方式中，确定绕流的面上的至少一个温度衰减系数。特别地，能够在表面上在每个位置(同义于每个部位)处和/或面状地确定温度衰减系数。
温度衰减系数能够与热传递系数成比例或可以这样假设。
在一些根据本发明的实施方式中，在已经确定绕流的面上的至少一个温度衰减系数之后，求得绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点。换而言之，基于温度衰减系数的确定求得绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点。
在一定的根据本发明的实施方式中，隔热层的表面具有施加到表面上的功能层。例如，表面能够具有带有高发射率颜色(同义与：具有高的发射度的颜色)的层作为功能层。如在此所使用的术语体部的“发射度”说明：与理想的热辐射体、所谓的黑体相比体部输出多少(热)辐射。例如，极化的铁具有大约εN＝0.1的低的发射度(体部的发射度εN能够作为从体部的面元件中的专门的放射与由相同温度的黑体放射的射线密度之比来给出)。
发射度在相关的波长范围中和/或在相关的导热性中应是尽可能高的，例如εN≥0.6。
在一些实施方式中，通过施加功能层，能够借助于摄像系统相对于没有功能面的绕流的面以高的信噪比检测绕流的面的输出的热量。
在特定的根据本发明的实施方式中，借助于摄像系统求得绕流的面的输出的热量的参考值，其中要绕流的面在检测参考值时不被绕流。因此，在检测参考值时尤其执行如下步骤：在要绕流的面上提供具有隔热层的表面，加热该面，借助于摄像系统关于时间无接触地测量该面的λ范围(λ＝波长)中的输出的辐射强度，确定该面上的至少一个温度衰减系数。
在一些根据本发明的实施方式中，确定要绕流的面上的温度衰减常量，其中从测量值中减去(或减掉)参考值或者相反(将测量值从参考值中减去)。测量值在此涉及在对要绕流的面绕流时的绕流的面的输出的辐射强度。借助于该差形成，有利地能够避免由于不同的局部的发射系数和导热性以及表面上的不均匀的照射而引起的测量误差。由此能够实现：仅到流本身中的热传递被成像或者有效地被测量，到绕流的面中和/或到隔热层中的热传输现象不重要或是次要的。
在一些根据本发明的实施方式中，绕流的面是涡轮机转子叶片的表面。涡轮机转子叶片能够是涡轮机的低压涡轮机级和/或高压涡轮机级的转子叶片。涡轮机转子叶片还能够是涡轮机的高压压缩机级和/或低压压缩机级的转子叶片。
在一些根据本发明的实施方式中，绕流的面是涡轮机定子叶片的面。涡轮机定子叶片能够是涡轮机的低压涡轮机级和/或高压涡轮机级的定子叶片。涡轮机定子叶片还能够是涡轮机的高压压缩机级和/或低压压缩机级的定子叶片。
在特定的根据本发明的实施方式中，摄像系统是红外摄像系统或具有这种红外摄像系统。红外摄像系统能够称作为热成像摄像系统、热摄影摄像系统、热摄像系统或称作为热成像设备。
在一些根据本发明的实施方式中，红外摄像与检孔仪连接或具有这种检孔仪。检孔仪的其他同义的名称是：管道镜、内窥镜、工业用内窥镜(Technoskope)、自检镜或内检镜(Intraskope)。借助于检孔仪(例如红外检孔仪)或其他的光学仪器在应用在涡轮机中时在转子多次旋转期间测量之前加热的、绕流的转子面上的输出的热量的衰减情况。
在一些根据本发明的实施方式中，借助于闪光灯或借助于激光加热绕流的面。借助于闪光灯或借助于激光器，能够在绕流或未绕流的情况下在短的时间段之内(短暂地)加热绕流的面。借助于专用快速的红外摄像(例如具有大约每秒800张图像的图像刷新率和小于1μs的积分时间的所谓的锑化铟(InSb)“红外焦平面阵列”(FPA)摄像)能够整面地记录表面的温度衰减情况并且为表面上或上方的每个位置确定衰减常数。
在一定的根据本发明的实施方式中，将加热(例如借助于闪光灯或借助于激光)、无接触地测量输出的热量和确定温度衰减系数至少重复第二次，以便例如通过对测量结果取平均值来优化信噪比。另外的测量能够进一步优化信噪比。
在特定的根据本发明的实施方式中，借助于之前事先确定的温度衰减系数求得壁剪切应力。壁剪切应力和温度衰减系数之间的关联基于下面阐述的联系。温度衰减系数与热传递系数成比例。此外，对于不可压缩的流适用所谓的雷诺类比，其提出：在摩擦流中冲量传递和热传递是类似的。因此，基于例如借助于红外摄像系统测量的热传递能够确定冲量传递。借助于冲量传递能够求得壁剪切应力。因此，借助根据本发明的方法能以无接触的方式执行整面的壁剪切应力测量或准壁剪切应力测量。此外，能够实现到流中的热传递的简单的可视化(定量的)。
在一些根据本发明的实施方式中，在绕流的面的流动侧上测量绕流的面的输出的热量。
在一些根据本发明的实施方式中，用于确定绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点的测量设备配置用于执行如下方法步骤：加热绕流的面；借助于摄像系统无接触地测量绕流的面的输出的热量；确定绕流的面上的至少一个温度衰减系数和求得绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点。
在特定的根据本发明的实施方式中，通过分析至少一个温度衰减系数和/或输出的热量的无接触的测量的测量数据，求得在绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点。分析能够包含例如与其他的较早记录的测量数据，或表格中的测量数据或其他的对比数据(或参考数据)的比较。分析能够包含与较早的测量的过程数据的比较。基于该分析，能够确定转变点和/或求得绕流的面上的壁剪切应力。
在一些根据本发明的实施方式中，通过借助比较设备将至少一个温度衰减系数和/或输出的热量的无接触的测量的测量数据与另外的数据进行比较，求得绕流的面上的壁剪切应力和/或转变点。
在一些根据本发明的实施方式中，测量设备是试验台。测量设备能够包含测量结果的评估单元。
一些或全部根据本发明的实施方式能够具有上述和/或下述优点中的一个、一些或全部。
要绕流的面上的隔热层的优点能够在于：适当地从外部施加到隔热层的面状的侧上的加热不延续或至少仅以小的程度延续到其他的面状的侧、尤其直接与绕流的面连接的侧。因此能够有利地防止：从外部施加的热量加热位于隔热层之下的绕流的面；或至少不显著地加热位于隔热层之下的绕流的面。因此也不能够将热量或在大多数时候仅将该热量的少部分借助于热传导(与导热同义)传递到绕流的部分中，所述绕流的部分不提供用于借助摄像系统的根据本发明的方法。
隔热层的另一优点是在对绕流的面的输出的热量进行无接触测量时，可实现改进的位置分辨率。因此，该更好的位置分辨率得出：将热量保持局部化，不使其扩散并且不或至少仅以较少的程度借助于热传导在表面上传递并且面状地分布。
借助于在要绕流的面、例如叶片上的隔热的层能够有利地在测量输出的热量时实现高的对比度。
热传递系数的定量的计算能够借助于隔热层而存在显著更少的误差。
附图说明
下面根据所附的附图示例地阐述本发明。在示意简化的唯一的视图中适用的是：
图1示出具有隔热层的绕流的面和摄像系统的侧视图，所述隔热层借助于闪光灯加热。
具体实施方式
图1示出绕流的面1和与其面状连接的隔热层3的侧视图，所述隔热层借助于闪光灯5短暂地加热。此外，简化地示出摄像系统7，所述摄像系统无接触地检测从隔热层3输出的热量。
借助于隔热层3能够一方面至少尽可能防止：热量的一部分传递到绕流的面1中。另一方面，热量不沿着隔热层3的表面或不在该表面上传递或者分布。因此，由于隔热层3，能够在对输出的热量进行无接触测量时实现高的对比度。此外，由于隔热层3，热传递系数的定量的计算存在显著更少的误差。
摄像系统7例如能够是具有高的图像刷新率(例如大约每秒800张图像)和短的积分时间(小于1μs)的红外摄像系统。借助于这种红外摄像系统能够整面地记录隔热层3的与绕流的面1连接的表面的温度衰减情况，并且为表面上的每个位置确定衰减常数。因为热传递系数在从层流过渡到涡流9时改变，因此能够整面地检测可能存在的转变区域。
该方法应用范围非常大。该方法能够普遍用于任何类型的绕流的面，例如汽车、列车或飞行器的在风洞中的缩放模型。该方法同样能够应用于体育用品研发(例如自行车头盔、摩托车头盔、高尔夫球等)。在研发风力设备时(尤其在转子研发中)，也能够应用该方法。
附图标记列表
附图标记描述
1绕流的面
3隔热层
5闪光灯
7摄像系统
9流；层流/涡流
Claims (12)
1.一种用于借助于热摄影术确定绕流的面(1)上的壁剪切应力和/或转变点的方法，其中所述方法包括如下步骤：
-在要绕流的所述面(1)上提供具有隔热层(3)的表面；
-对要绕流的所述面(1)进行绕流；
-加热绕流的所述面(1)；
-借助于摄像系统(7)无接触地测量绕流的所述面(1)的输出的辐射强度；
-确定绕流的所述面(1)上的至少一个温度衰减系数；以及
-求得绕流的所述面(1)上的所述壁剪切应力和/或所述转变点
-和/或面状地显示所述衰减系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面具有施加到所述隔热层(3)上的功能层。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括如下步骤：
-求得参考值，其中借助于所述摄像系统(7)在没有对要绕流的所述面(1)绕流的情况下测量绕流的所述面(1)的输出的辐射强度。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括如下步骤：
-确定绕流的所述面(1)上的温度衰减常数，其中将所述参考值从绕流的所述面(1)在对要绕流的所述面进行绕流的情况下输出的热量的测量的值中减去，或者相反。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中绕流的所述面(1)是涡轮机转子叶片的面。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中绕流的所述面(1)是涡轮机定子叶片的面。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述摄像系统(7)是红外摄像系统或具有这种红外摄像系统。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述红外摄像与检孔仪连接或具有这种检孔仪。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于闪光灯(5)或借助于激光加热绕流的所述面(1)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于事先确定的温度衰减系数求得所述壁剪切应力。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在绕流的所述面(1)的流动侧上测量绕流的所述面(1)的输出的热量。
12.一种用于确定绕流的面(1)上的壁剪切应力和/或转变点的测量设备，其中所述测量设备配置用于执行如下方法步骤：
-加热绕流的所述面(1)；
-借助于摄像系统(7)无接触地测量绕流的所述面(1)的输出的热量；
-确定绕流的所述面(1)上的至少一个温度衰减系数；以及
-求得绕流的所述面(1)上的所述壁剪切应力和/或所述转变点
-和/或定性地显示到流中的热传递。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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