CN109916952A - 空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，由被测组件及测量组件构成；被测组件由两个空心半球状壳体构成，两个空心半球状壳体相互扣合构成空心球壳待测结构，在两个空心半球状壳体的扣合面上开设有出线槽；测量组件包括空心球壳内热源、直流稳压电源和测温装置，空心球壳内热源表面设有出线孔，空心球壳内热源内表面开设有布线槽，布线槽内布设有电加热丝，电加热丝的两端从空心球壳内热源的出线孔引出，分别与直流稳压电源的正极接线端、负极接线端相连；本发明的系统可解决竖直平板和空心圆管装置端面的绝热问题，充分考虑了材料的机械加工成型特点，该装置结构简单，灵活小巧，可实现对不同工况下表面对流换热系数的测量。
Description
技术领域
本发明涉及结构表面对流换热分析技术领域，特别涉及一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统及测量方法。
背景技术
结构传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。本发明针对热对流现象，设计了一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量装置，该装置可以定量表征传递热量、表面温度，基于牛顿冷却定律测量结构表面对流换热系数。目前公开文献中已有的对流换热系数测量装置均存在端面绝热问题，导致表面对流换热系数测量不准确。本文设计的空心圆球构型装置，可以有效解决端口绝热问题，能有效测量自然对流和受迫对流等复杂流场下结构表面对流换热系数。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统及测量方法，可解决竖直平板和空心圆管装置端面的绝热问题，且充分考虑了材料的机械加工成型特点，该装置结构简单，灵活小巧，置于复杂流场中可以便利地实现对不同工况下表面对流换热系数的测量。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，由被测组件及测量组件构成；所述被测组件由两个空心半球状壳体构成，且具体是由被测材料制成，所述两个空心半球状壳体相互扣合构成空心球壳待测结构，且在两个空心半球状壳体的扣合面上开设有出线槽；所述测量组件包括空心球壳内热源、直流稳压电源和测温装置，空心球壳内热源表面设有出线孔，在空心球壳内热源内表面开设有布线槽，布线槽内布设有电加热丝，电加热丝的两端从空心球壳内热源的出线孔引出，且分别与直流稳压电源的正极接线端、负极接线端相连；所述测温装置用于测量被测组件的表面温度；其中，所述空心球壳内热源的外径尺寸不大于空心球壳待测结构的内径尺寸，且空心球壳内热源的出线孔与空心球壳待测结构的出线槽相对。
进一步地，所述测温装置由若干均匀布设于被测组件外表面的测温单元构成，一个测温单元由一个热电偶传感器及一个铜箔基底构成，采用铜箔基底配合热电偶传感器进行空心球壳待测结构外表面温度测量，铜箔基底可改善热电偶传感器与结构表面接触效果，同时又能充分快速的将热量传递给热电偶传感器，可以准确测量结构表面温度。
进一步地，所述测温单元的数量不少于8个，测量空心球壳待测结构外表面温度时，可求取所有测温单元测得的温度值的平均值作为空心球壳待测结构外表面温度。
进一步地，所述空心球壳内热源由两个空心半球组件扣合而成，空心球壳内热源的出线孔具体设有两个空心半球组件的扣合面。
进一步地，所述空心球壳内热源由铜制成，从而保证其导热效果。
进一步地，所述电加热丝为双线缠绕，且电加热丝的直径为1.5mm。
进一步地，所述布线槽呈螺旋形设置于空心球壳内热源内表面，或所述空心球壳内热源内表面设有一个连通槽及多个圆环形布线槽，各布线槽通过连通槽连通。
进一步地，所述空心球壳待测结构包覆于空心球壳内热源表面，且为保证空心球壳待测结构内表面和空心球壳内热源外表面热量均匀传输，空心球壳待测结构内表面涂覆有导热硅脂，导热硅脂的热导率大于1.2W/(m·℃)，而且物理性状不受温度影响，可以很好满足测验中球壳内表面均匀加热的需要。
同时，本发明还公开了一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量方法，由上述的一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统实现，具体包括以下步骤：
A.将空心球壳内热源放置于空心球壳待测结构的内腔中，且将空心球壳内热源的电加热丝的引出线从空心球壳待测结构的出线槽引出；
B.打开直流稳压电源，从而为空心球壳内热源提供加热功率，其中，直流稳压电源输出的电流大小为I；
C.通过空心球壳内热源持续对空心球壳待测结构进行加热，并通过测温装置测量被测组件的表面温度TS，同时获取环境温度T∞；
D.通过表面对流换热系数计算公式计算被测组件的表面对流换热系数h；其中，根据牛顿冷却定律，表面对流换热系数计算公式为：P为通过空心球壳待测结构表面的热功率，单位：W，A为被测组件的外表面积，单位：m2，TS为表面温度，单位：℃，T∞为环境温度，单位：℃；
其中，通过空心球壳待测结构表面的热功率P的计算公式为：P＝I2·Reff，I为直流稳压电源提供的电流大小，单位：A，Reff代表电加热丝的加热电阻，单位：Ω，作为优选，Reff可具体取电加热丝的有效加热电阻，具体可根据选用的电加热丝的电阻丝规格W，单位：Ω/m；和有效缠绕长度L(即缠绕于空心球壳内热源内表面布线槽内的长度)，单位：m，测量得到，Reff＝W*L。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
本发明的空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统及测量方法，解决了竖直平板和空心圆管装置端面的绝热问题，且充分考虑了材料的机械加工成型特点，该装置结构简单，灵活小巧，置于复杂流场中可以便利地实现对不同工况下表面对流换热系数的测量。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中空心球壳内热源装配于空心球壳待测结构内的剖视图。
图2是本发明的一个实施例中空心球壳内热源的下半球的剖视图。
图3是本发明的一个实施例中空心球壳内热源的上半球的剖视图。
图4是本发明的一个实施例中空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统的示意图。
附图标记：1-空心球壳待测结构，2-空心球壳内热源，3-直流稳压电源，4-测温装置，5-电加热丝，6-导热硅脂，11-出线槽，21-出线孔，22-布线槽，23-连通槽，41-热电偶传感器，42-铜箔基底。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例：
本实施例中将具体说明本发明的空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统在测量PBX表面对流换热系数中的具体应用，从而具体说明本发明的空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统及其具体的测量方法，当然，本发明的空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统及测量方法并不仅限于测量PBX的表面对流换热系数。
PBX(polymer bonded explosives)是高聚物粘结炸药的简称。常以承受力、热载荷结构件的形式存在。为了考核PBX在复杂环境下其结构的温度承载能力，需要开展热环境适应性试验。PBX升降温多通过空气对流的方式实现，属于传热学中的第三类边界条件。为了预估热环境试验结果，在PBX结构瞬态热响应计算中，应以环境温度和表面对流换热系数作为参数输入，引入热对流边界条件。
目前，可供查询的典型对流换热系数只有大致范围，如常见的气体自然对流换热系数2～25W/(m2·℃)，受迫对流换热系数25～250W/(m2·℃)，这显然不能满足工程计算对于确定研究对象的定量表征需求。因此，各大行业(航空、建筑和核电等)均开展过具有典型结构的表面对流换热系数测量研究工作，而在含能材料领域目前尚未开展表面对流换热系数的相关测量工作，且目前公开文献中仅有竖直平板型、空心圆管构型对流换热系数测量装置。
其中，竖直平板型对流换热系数测量装置具体是通过镍铬加热丝对平板进行加热，为了保证热量全部沿平板外表面与空气热对流，在电加热丝的另一侧布置酚醛树脂塑料泡沫绝热板。通过测量平板表面温度、空气温度以及热源功率，根据牛顿冷却定律计算得到平板表面对流换热系数。这种测试装置简单易行，但是平板单侧绝热设计，很难保证热量全部通过平板外表面与空气进行热对流，这对测量结果的准确性带来很大影响。
空心圆管构型对流换热系数测量装置，同样根据测量空心外表面温度、空气温度以及内表面加热功率，获得表面对流换热系数，但是仍存在端面绝热问题，导致表面对流换热系数测量不准确，同时，尽管这种空心圆管型测量装置在单侧绝热方面有很大改进，但是一些如PBX等材料是很难加工成空心圆管结构，因此其使用范围有限。
如图1至图4所示，本实施例中公开了一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，由被测组件及测量组件构成。
所述被测组件由两个完全对称的空心半球状壳体构成，且具体是由被测材料制成，两个空心半球状壳体相互扣合构成空心球壳待测结构1，且在两个空心半球状壳体的扣合面上开设有出线槽11。
所述测量组件包括空心球壳内热源2、直流稳压电源3和测温装置4，空心球壳内热源2表面设有出线孔21，在空心球壳内热源2内表面开设有布线槽22，布线槽22内布设有电加热丝5，电加热丝5的两端从空心球壳内热源2的出线孔21引出，且分别与直流稳压电源3的正极接线端、负极接线端相连。
其中，布线槽22呈螺旋形设置于空心球壳内热源2内表面，或所述空心球壳内热源2内表面设有一个连通槽23及多个圆环形布线槽22，各布线槽22通过连通槽23连通。
所述测温装置4用于测量被测组件的表面温度；其中，所述空心球壳内热源2的外径尺寸与空心球壳待测结构1的内径一致装配，且空心球壳内热源2的出线孔21与空心球壳待测结构1的出线槽11相对。
如图2及图3所示，本实施例中，空心球壳内热源2由铜制成且具体由两个空心半球组件扣合而成，空心球壳内热源2的出线孔21具体设于两个空心半球组件的扣合面。
在所述空心球壳内热源2内表面设有一个连通槽23及多个圆环形布线槽22，各布线槽22通过连通槽23连通，布线槽22中电加热丝5双线缠绕，两个空心半球组件的电加热丝5的引出线分别短接和与直流电源相接形成通路，具体为，上空心半球组件引出的两条电加热丝5的引出线中的一条与直流稳压电源3的负极接线端相连，另一条引出线与下空心半球组件引出的两条电加热丝5的引出线中的一条短接，下空心半球组件的另一条引出线与直流稳压电源3的正极接线端相连。
作为优选，本实施例中，所述测温装置4由若干均匀布设于被测组件外表面的测温单元构成，一个测温单元由一个热电偶传感器41及一个铜箔基底42构成，采用铜箔基底42配合热电偶传感器41进行空心球壳待测结构1外表面温度测量，铜箔基底42可改善热电偶传感器41与结构表面接触效果，同时又能充分快速的将热量传递给热电偶传感器41，可以准确测量结构表面温度。具体的，本实施例中，空心球壳待测结构1外表面均布有8个温度测点(即均设有8个测温单元)，测量空心球壳待测结构1外表面温度时，可求取所有测温单元测得的温度值的平均值作为空心球壳待测结构1外表面温度。
作为优选，本实施例中，电加热丝5的直径为1.5mm，空心球壳内热源2内表面均匀分布的布线槽22的槽径为3mm。
如图1所示，安装时，所述空心球壳待测结构1包覆于空心球壳内热源2表面，且为保证空心球壳待测结构1内表面和空心球壳内热源2外表面热量均匀传输，空心球壳待测结构1内表面涂覆有导热硅脂6，导热硅脂6的热导率大于1.2W/(m·℃)，而且物理性状不受温度影响，可以很好满足测验中球壳内表面均匀加热的需要。
如图4所示，本发明的空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统应用于表面对流换热系数测量时，具体是通过直流稳压电源3为空心球壳内热源2提供加热功率，且通过调整直流稳压电源3的电流大小I，可调整提供的内加热功率的大小，所有热功率都将从空心球壳待测结构1球壳外表面与周围空气进行热对流交换；根据内加热功率和表面温度与环境温度，依据牛顿冷却定律计算表面对流换热系数的大小，即可计算被测组件的表面对流换热系数h；其中，表面对流换热系数计算公式为：P为通过空心球壳待测结构1表面的热功率，单位：W，A为被测组件的外表面积，单位：m2，TS为表面温度，单位：℃，T∞为环境温度，单位：℃。
其中，通过空心球壳待测结构1表面的热功率P的计算公式为：P＝I2·Reff，I为直流稳压电源3提供的电流大小，单位：A，Reff代表电加热丝5的加热电阻，单位：Ω，作为优选，Reff具体取电加热丝5的有效加热电阻，具体可根据选用的电加热丝5的电阻丝规格W，单位：Ω/m；和有效缠绕长度L(即缠绕于空心球壳内热源2内表面的长度)，单位：m，测量得到，即Reff＝W*L。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，其特征在于，由被测组件及测量组件构成；所述被测组件由两个空心半球状壳体构成，所述两个空心半球状壳体相互扣合构成空心球壳待测结构，且在两个空心半球状壳体的扣合面上开设有出线槽；
所述测量组件包括空心球壳内热源、直流稳压电源和测温装置，空心球壳内热源表面设有出线孔，在空心球壳内热源内表面开设有布线槽，布线槽内布设有电加热丝，电加热丝的两端从空心球壳内热源的出线孔引出，且分别与直流稳压电源的正极接线端、负极接线端相连；所述测温装置用于测量被测组件的表面温度；
其中，所述空心球壳内热源的外径尺寸不大于空心球壳待测结构的内径尺寸，且空心球壳内热源的出线孔与空心球壳待测结构的出线槽相对。
2.根据权利要求1所述的一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，其特征在于，所述测温装置由若干均匀布设于被测组件外表面的测温单元构成，一个测温单元由一个热电偶传感器及一个铜箔基底构成。
3.根据权利要求2所述的一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，其特征在于，所述测温单元的数量不少于8个。
4.根据权利要求1所述的一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，其特征在于，所述空心球壳内热源由两个空心半球组件扣合而成。
5.根据权利要求1所述的一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，其特征在于，所述空心球壳内热源由铜制成。
6.根据权利要求1所述的一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，其特征在于，所述电加热丝为双线缠绕，且电加热丝的直径为1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，其特征在于，所述布线槽呈螺旋形设置于空心球壳内热源内表面，或所述空心球壳内热源内表面设有一个连通槽及多个圆环形布线槽，各布线槽通过连通槽连通。
8.根据权利要求1所述的一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统，其特征在于，所述空心球壳待测结构包覆于空心球壳内热源表面，且空心球壳待测结构内表面涂覆有导热硅脂。
9.一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量方法，其特征在于，由权利要求1至8中任一所述的一种空心圆球构型的表面对流换热系数测量系统实现，具体包括以下步骤：
A.将空心球壳内热源放置于空心球壳待测结构的内腔中，且将空心球壳内热源的电加热丝的引出线从空心球壳待测结构的出线槽引出；
B.打开直流稳压电源，为空心球壳内热源提供加热功率；
C.通过空心球壳内热源持续对空心球壳待测结构进行加热，并通过测温装置测量被测组件的表面温度TS；同时，获取环境温度T∞；
D.通过表面对流换热系数计算公式计算被测组件的表面对流换热系数h；其中，根据牛顿冷却定律，表面对流换热系数计算公式为：
P为通过空心球壳待测结构表面的热功率，单位：W，A为被测组件的外表面积，单位：m2，TS为表面温度，单位：℃，T∞为环境温度，单位：℃；
其中，通过空心球壳待测结构表面的热功率P的计算公式为：P＝I2·Reff，I为直流稳压电源提供的电流大小，单位：A，Reff代表电加热丝的加热电阻，单位：Ω。
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