CN106057035B - 热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置与实验方法 - Google Patents

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Abstract

一种热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置，其特征在于：底座上设置有透明的水槽，水槽内前侧壁和后侧壁中心位置设置有储水管，储水管的顶部设置有与储水管相联通的注水管水槽后侧外的底座上设置有光屏、前侧外的底座上设置有位于储水管中轴线上的激光器支架，激光器支架上设置有位于以储水管的中轴线为对称的正方形4个顶角位置的4个半导体激光器，4个半导体激光器输出的激光束透过水槽的前侧壁沿储水管外壁，从水槽后侧壁透过投射在光屏上，形成位于正方形4个顶角上的4个光点；本发明具有结构简单、成本低、携带方便、演示直观、演示效果好等优点，适用于传热学教学的演示实验。

Description

热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置与实验方法
技术领域
本发明属于传热学实验技术领域，具体涉及梯度温度场传热的实验仪器或装置。
背景技术
传热学是研究温差引起的热量传递规律的科学，由于自然界和生产技术中到处存在着促使热量传递的温差，传热学理论在自然界及各个领域都有着非常广泛的应用。温差是热传递的驱动力，而温度梯度的大小和方向，决定了热传递速度的大小与方向。热体近表面梯度温度场分布的研究，主要是确定其梯度温度场的大小和方向。热体近表面梯度温度场分布动态显示的传统方法，采用温度传感器测量描绘出热体近表面的等温线，以此确定不同位置温度梯度的大小和方向；基于测量数据，采用计算机数值仿真技术实现数据可视化。但这都是在测量数据的基础上，通过数据的后续处理得到。无法实现梯度温度场大小与方向的实时动态观测；同时在热体近表面，温度梯度往往较大，即在非常小的距离内温度变化很大，而受温度传感探头尺寸的限制，使得温度数据采集非常困难甚至不可能。作为传热学研究的基本问题之一，实现热体近表面梯度温度场大小与方向的同步实时动态显示，在传热学的教学中具有重要意义，但目前还没有见到这类实验演示仪器。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、演示直观、演示效果好的热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置。
本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用提供一种使用热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置的实验演示方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有透明的水槽，水槽内前侧壁和后侧壁中心位置设置有储水管，储水管的顶部设置有与储水管内相联通的注水管，水槽后侧外的底座上设置有光屏、前侧外的底座上设置有位于储水管中轴线上的激光器支架，激光器支架上设置有位于以储水管的中轴线为对称的正方形个顶角位置的个半导体激光器，4个半导体激光器输出的激光束透过水槽的前侧壁沿储水管外壁，从水槽后侧壁透过投射在光屏上，形成位于正方形4个顶角上的4个光点。
本发明的储水管的几何形状为圆管形，圆管形的中轴线与水槽的前后侧壁垂直。
本发明的的4个半导体激光器输出的激光束中轴线与储水管外壁的距离等于激光束在该处截面的半径长度。
使用上述的热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置的实验方法由下述步骤组成：
1、在水槽中加满自来水，接通4个半导体激光器的电源，调整4个半导体激光器的位置，观察自来水中激光束的径迹，使激光束紧贴储水管外壁，投射在光屏上，在光屏上标示出4个激光投射光点的位置。
2、从注水管加入80～90℃的热水到储水管，直至加满，观察光屏上4个激光投射光点的形状变化与移动情况；光屏上的4个激光投射光点同时沿着与储水管外壁垂直的方向向外辐射状扩展，形成4个辐射状一字形光斑，4个一字形光斑的扩展方向和长度大小，显示了靠近储水管2壁外表面处自来水中的温度梯度方向与温度梯度大小。
3、在储水管中加满自来水，接通4个半导体激光器的电源，调整4个半导体激光器的位置，使激光束紧贴储水管外壁，投射在光屏上，在光屏上标示出4个激光投射光点的位置。
4、在水槽中加满温度80～90℃的热水，观察光屏上4个激光投射光点的形状变化与移动情况，光屏上4个激光投射光点同时沿着与储水管壁垂直的方向向储水管中轴线方向扩展，形成4个向内收缩的一字形光斑，4个一字形光斑的扩展方向和长度大小，显示了这时储水管壁外表面附近热水中温度梯度方向与温度梯度大小。
本发明将反映储水管内水与包围储水管的长方体水槽中的水之间的热交换过程的管壁附近水中梯度温度场的大小和方向，用通过管壁附近水中的激光束偏折角的大小、偏折方向来显现。激光束偏折角的大小、偏折方向又通过光屏上激光投射光点的形状、扩展方向，即通过从原始光点到形成辐射状的一字形光斑，实现了储水管壁附近梯度温度场的大小及温度梯度方向的实时可视化。
本发明具有结构简单、成本低、携带方便、演示直观、演示效果好等优点，适用于传热学教学的演示实验。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的左视图。
图4是实施例1中位于一个正方形4个顶角上的投射光点照片。
图5是实施例1中四个辐射状一字形光斑照片。
图6是实施例1中四个收缩状一字形光斑照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施例。
实施例1
在图1、2、3中，本实施例的热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置由水槽1、储水管2、注水管3、底座4、光屏5、激光器支架6、半导体激光器7联接构成。
在底座4上放置有水槽1，水槽1为透明的长方体水槽1，水槽1内的前侧壁和后侧壁的中心位置用光学胶粘接有储水管2，储水管2的几何形状为圆管形，储水管2的中轴线与水槽1的前侧壁和后侧壁垂直，储水管2采用石英玻璃制成，也可采用有机玻璃制成。储水管2的顶部中心位置用胶粘接有注水管3，注水管3与储水管2内相联通，实验时通过注水管3向储水管2内加水。水槽1后侧外的底座4上放置有光屏5，光屏5用于成像。水槽1前侧外的底座4上放置有激光器支架6，激光器支架6位于储水管2的前侧面中轴线上。激光器支架6上用螺纹紧固联接件固定联接安装有4个半导体激光器7，4个半导体激光器7位于以储水管2的中轴线为对称的一个正方形的4个顶角位置，4个半导体激光器7输出的激光束透过水槽1的前侧壁沿储水管2外壁从水槽1的后侧壁透过投射在光屏5上，激光束的中轴线与所在处储水管2外壁的距离等于激光束在该处截面的半径长度，投射在光屏5上的4个光点，位于如图4所示的一个正方形的4个顶角上。
使用上述热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置的实验方法步骤如下：
1、在水槽1中加满自来水，接通4个半导体激光器7的电源，调整4个半导体激光器7的位置，观察自来水中激光束的径迹，使激光束紧贴储水管2外壁，投射在光屏5上，在光屏5上标示图4所示的4个激光投射光点的位置。
2、从注水管3加入80～90℃的热水到储水管2，直至加满，观察光屏5上4个激光投射光点的形状变化与移动情况。光屏5上的4个激光投射光点同时沿着与储水管2外壁垂直的方向向外辐射状扩展，形成如图5所示的4个辐射状一字形光斑。4个一字形光斑的扩展方向和一字形的长度大小，显示了靠近储水管2壁外表面处自来水中的温度梯度方向与温度梯度大小。
3、在储水管2中加满自来水，接通4个半导体激光器7的电源，调整4个半导体激光器7的位置，使激光束紧贴储水管2外壁，投射在光屏5上，在光屏5上标示图4所示的4个激光投射光点的位置。
4、在水槽1中加满温度80～90℃的热水，观察光屏5上4个激光投射光点的形状变化与移动情况。光屏5上4个激光投射光点同时沿着与储水管2壁垂直的方向向储水管2中轴线方向扩展，形成图6所示的4个向内收缩的一字形光斑，4个一字形光斑的扩展方向和一字形的长度大小，显示了这时储水管2壁外表面附近热水中温度梯度方向与温度梯度大小。
本发明的工作原理如下：
本发明通过在储水管2内与包围储水管2的长方体水槽1中充满不同温度的水，在储水管2管壁两侧建立温差，以此观测储水管2管壁热传导过程中储水管2管壁外水中的梯度温度场。长方体水槽1与储水管2内不同温度水之间通过管壁热传递的快慢，由管壁附近温度梯度的大小和方向决定。管壁两侧附近的水中出现温度梯度，说明管壁两侧不同温度的水通过管壁已经将热量传递到温度较低的一侧。管壁两侧的温差越大，管壁两侧附近的温度梯度越大，单位时间传导的热量越多，即传热速度越快。
管壁附近水中的梯度温度场，形成了相应的梯度折射率场。水温高处折射率小，水温低处折射率大。由于光线在梯度折射率场中传输时向折射率大的区域偏折，折射率梯度越大，光线的偏折角度越大。因此，在激光束通过管壁附近水中的梯度温度场时，向水温较低的区域偏折。由于可以认为激光束是由许多平行光线集合而成，在同一激光束中不同光线通过管壁外侧附近水中的温度梯度不同，越靠近管壁，水中的温度梯度越大，因此激光束中靠近管壁处的光线，在储水管2内是热水的情况下，向离开管壁并与管壁垂直的方向的偏折角最大，激光束中离管壁距离最大的光线的偏折角最小；在长方体水槽1中是热水的情况下，激光束中靠近管壁处的光线，向靠近管壁并与管壁垂直的方向的偏折角最大，激光束中离管壁距离最大的光线的偏折角最小。由于激光束中不同光线的偏折角大小不同，因此，在储水管2内和长方体水槽1能加入不同温度的水后，热量通过管壁传导到温度较低的水中时，原先光屏5上的4个光点就向离开(或者靠近)管壁，并与管壁垂直的方向扩展为4个辐射状的一字形光斑。通过储水管2管壁外侧不同位置的激光束在光屏5上投射光点的扩展方向，即为储水管2内和长方体水槽1内不同温度水之间的热传递的方向，也就是储水管2管壁附近温度场的梯度方向。4个一字形光斑长度的大小，显示了储水管2管壁附近温度场的梯度大小。本发明正是基于上述原理过程，通过观察光屏5上光点形状的变化，实现了热体近表面梯度温度场的实时动态显示。

Claims (4)

1.一种热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置，其特征在于：在底座（4）上设置有透明的水槽（1），水槽（1）内前侧壁和后侧壁中心位置设置有储水管（2），储水管（2）的顶部设置有与储水管（2）内相联通的注水管（3），水槽（1）后侧外的底座（4）上设置有光屏（5）、前侧外的底座（4）上设置有位于储水管（2）中轴线上的激光器支架（6），激光器支架（6）上设置有位于以储水管（2）的中轴线为对称的正方形4个顶角位置的4个半导体激光器（7），4个半导体激光器（7）输出的激光束透过水槽（1）的前侧壁沿储水管（2）外壁，从水槽（1）后侧壁透过投射在光屏（5）上，形成位于正方形4个顶角上的4个光点。
2.根据权利要求1所述的热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置，其特征在于：所述的储水管（2）的几何形状为圆管形，圆管形的中轴线与水槽（1）的前后侧壁垂直。
3.根据权利要求1所述的热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置，其特征在于：所述的4个半导体激光器（7）输出的激光束中轴线与储水管（2）外壁的距离等于激光束截面的半径长度。
4.一种使用权利要求1的热体近表面梯度温度场实时可视化实验装置的实验方法，其特征在于由下述步骤组成：
（1）在水槽（1）中加满自来水，接通4个半导体激光器（7）的电源，调整4个半导体激光器（7）的位置，观察自来水中激光束的径迹，使激光束紧贴储水管（2）外壁，投射在光屏（5）上，在光屏（5）上标示出4个激光投射光点的位置；
（2）从注水管（3）加入80～90℃的热水到储水管（2），直至加满，观察光屏（5）上4个激光投射光点的形状变化与移动情况；光屏（5）上的4个激光投射光点同时沿着与储水管（2）外壁垂直的方向向外辐射状扩展，形成4个辐射状一字形光斑，4个一字形光斑的扩展方向和长度大小，显示了靠近储水管（2）壁外表面处自来水中的温度梯度方向与温度梯度大小；
（3）在储水管（2）中加满自来水，接通4个半导体激光器（7）的电源，调整4个半导体激光器（7）的位置，使激光束紧贴储水管（2）外壁，投射在光屏（5）上，在光屏（5）上标示出4个激光投射光点的位置；
（4）在水槽（1）中加满温度80～90℃的热水，观察光屏（5）上4个激光投射光点的形状变化与移动情况，光屏（5）上4个激光投射光点同时沿着与储水管（2）垂直的方向向储水管（2）中轴线方向扩展，形成4个向内收缩的一字形光斑，4个一字形光斑的扩展方向和长度大小，显示了这时储水管2壁外表面附近热水中温度梯度方向与温度梯度大小。
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