CN110261009A - 基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，该方法利用二路平行边界层热线探针、步进电机位移机构、小型CTA模块、小型数模转换模块、滑环引电器及计算机，对旋转条件下边界层速度和温度测量，最终通过线性底层假设和湍流标准温度壁面率的验证，计算出壁面热流密度，且具有测量的精准性与易用性。本公开还提供了一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量装置。

Description

基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法和装置
技术领域
本公开涉及涡轮机械旋转通道近壁面边界层内速度和温度测量技术领域，尤其是一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法和装置。
背景技术
在旋转机械的换热研究中，壁面热流密度或者单位面积的壁面热流量是一个很重要的参数，常规的静止条件下，由于安装空间大，壁面热流测量结构可以设计得很复杂，从而采用多种方法实现测量，常用的思路是利用发热装置的电压和电阻计算单位时间产热量，再利用温度传感器测量壁面向通道外的单位时间散热量，相减来得到壁面向通道内的热流量。
但是，在旋转条件下，受限于旋转台的旋转能力，空间和装置尺寸受限，这使热流密度的测量成为一个难题，如果在壁面开槽埋入温度传感器，可能对壁面加热品质产生影响。另外，壁面热流在旋转条件下难以控制测点与内部测量(速度温度分布)位置一致。
发明内容
为了解决涡轮机械旋转通道壁面热流密度的测量繁杂且不够容易实现，且不精准的技术问题，本公开实施例提供了一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法和装置，该方法利用二路平行边界层热线探针、步进电机位移机构、小型CTA模块、小型数模转换模块、滑环引电器以及计算机，对旋转条件下边界层速度和温度进行测量，最终通过线性底层假设和湍流标准温度壁面率的验证，计算出壁面热流密度，具有测量的精准性与易用性。
第一方面，本公开实施例提供了一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，包括以下步骤：通过热线探针获取壁面的速度与温度；通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离；对边界层线性底层温度进行拟合；基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数；根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度，最终完成基于线性底层假设的壁面热流密度测量操作。
在其中一个实施例中，所述通过热线探针获取壁面的速度与温度包括：利用二路平行热线探针测得垂直于壁面的速度与温度分布。
在其中一个实施例中，通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离包括：通过粘性底层速度梯度算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离。
在其中一个实施例中，所述对边界层线性底层温度进行拟合包括：对边界层线性底层温度完成拟合，生成拟合线性公式T＝Ky′+C，拟合范围为3.5＜y+＜5，其中，T为时均温度(℃)，y′为真实的热线探针距离壁面的垂直距离(mm)，确定后替换y。
在其中一个实施例中，所述基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数包括：
近壁流体层温度梯度壁面温度Tf＝C。
在其中一个实施例中，根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度包括：计算壁面摩擦温度无量纲温度其中的ρ和cp由当地T可得，其中，Tτ为壁面剪切温度(K)，qw为壁面热流密度(W/m2)，ρ为空气密度(kg/m3)，cp为定压比热容(J/(kg·K))，uτ为壁面剪切速度(m/s)，T+为无量纲温度(单位为1)。
在其中一个实施例中，还包括：在粘性底层符合预设条件时，将获取的结果与标准度壁面率进行比较，其中，所述预设条件为粘性底层符合T+＝0.7y+，其中，y+为无量纲距离。
第二方面，本公开实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
第三方面，本公开实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法的步骤。
第四方面，本公开实施例提供了一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量装置，所述装置包括：第一获取模块，用于通过热线探针获取壁面的速度与温度；第二获取模块，用于通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离；拟合模块，用于对边界层线性底层温度进行拟合；第三获取模块，用于基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数；测量模块，用于根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度，最终完成基于线性底层假设的壁面热流密度测量操作。
本发明提供的一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法和装置，通过热线探针获取壁面的速度与温度；通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离；对边界层线性底层温度进行拟合；基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数；根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度，最终完成基于线性底层假设的壁面热流密度测量操作。该方法利用二路平行边界层热线探针、步进电机位移机构、小型CTA模块、小型数模转换模块、滑环引电器以及计算机，对旋转条件下边界层速度和温度进行测量，最终通过线性底层假设和湍流标准温度壁面率的验证，计算出壁面热流密度，且具有测量的精准性与易用性。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1为本发明一个实施例中的一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法的步骤流程图；以及
图2为本发明一个实施例中的一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的详细介绍。
在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本公开的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法和装置的具体实施方式进行进一步详细说明。需要说明的是，本公开涉及涡轮机械旋转通道近壁面边界层内速度和温度测量技术领域，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为一个实施例中的一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法的流程示意图，具体包括以下步骤：
步骤102，通过热线探针获取壁面的速度与温度。
具体的，通过热线探针获取壁面的速度与温度包括：利用二路平行热线探针测得垂直于壁面的速度与温度分布。由此，提高了获取速度与温度的精准性。
步骤104，通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离。
具体的，通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离包括：通过粘性底层速度梯度算法获取并计算热线探针测点与壁面之间的距离。由此，提高了获取热线探针测点与壁面之间距离数值的精准性。
步骤106，对边界层线性底层温度进行拟合。
具体的，对边界层线性底层温度进行拟合包括：对边界层线性底层温度完成拟合，生成拟合线性公式T＝Ky′+C，拟合范围为3.5＜y+＜5，其中，T为时均温度(℃)，y′为真实的热线探针距离壁面的垂直距离(mm)，确定后替换y。
步骤108，基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数。
具体的，基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数包括：
近壁流体层温度梯度壁面温度Tf＝C。
步骤110，根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度，最终完成基于线性底层假设的壁面热流密度测量操作。
具体的，根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度包括：计算壁面摩擦温度无量纲温度其中的ρ和cp由当地T可得，其中，Tτ为壁面剪切温度(K)，qw为壁面热流密度(W/m2)，ρ为空气密度(kg/m3)，cp为定压比热容(J/(kg·K))，uτ为壁面剪切速度(m/s)，T+为无量纲温度(单位为1)。
需要说明的是，在一个实施例中，本公开提出的一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法还包括：在粘性底层符合预设条件时，将获取的结果与标准度壁面率进行比较，其中，预设条件为粘性底层符合T+＝0.7y+，其中，y+为无量纲距离。
为了更清楚地理解与应用本公开提出的基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，进行以下示例。需要说明的是，本公开所保护的范围不限于以下示例。
具体的，基于线性底层假设的旋转边界层热流密度测量方法，包括以下步骤：利用二路平行热线探针测得垂直于壁面的速度和温度分布u-y,T-y，其中，u为沿流向时均速度(m/s)，y为假设的热线探针距离壁面的垂直距离(mm)，T为时均温度(℃)。
利用粘性底层速度梯度法得出探针测点与壁面之间的距离y′和uτ，并计算得到其中的v由当地T可得，v为运动粘性系数(m2/s)。由于边界层线性底层温度呈线性分布，可以拟合线性公式T＝Ky′+C，拟合范围大致为3.5＜y+＜5。
根据无滑移边界条件，对流换热量等于贴壁流体层的导热量，即辐射传热量可以忽略。
单位W/m2，其中，λ为空气导热系数(W/(m·K)，近壁流体层温度梯度壁面温度Tf＝C，已由上述具体步骤得到，物性参数λ由Tf可得。
计算壁面摩擦温度无量纲温度其中的ρ和cp由当地T可得，uτ和qw已由上述步骤得到。
验证结果是否准确的方法是与标准温度壁面率比较：在粘性底层符合T+＝0.7y+。
如果与标准规律相差较大，则返回拟合步骤，重复拟合步骤至验证步骤直至满足要求，则此时根据无滑移边界条件，对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度以及壁面温度的步骤求得的qw就是当地壁面测点的热流密度。
本公开提出的基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，不需要对壁面进行任何处理，不会干扰所测量流场，不会给旋转试验台造成更大负担；使用热线在测量通道内部参数，即速度温度分布的同时，得到比较准确的壁面热流密度，而不需要使用两套装置，大大简化操作；可以得到局部位置的热流密度，而不是一个区域的平均热流密度。
本发明提供的一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，通过热线探针获取壁面的速度与温度；通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离；对边界层线性底层温度进行拟合；基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数；根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度，最终完成基于线性底层假设的壁面热流密度测量操作。该方法利用二路平行边界层热线探针、步进电机位移机构、小型CTA模块、小型数模转换模块、滑环引电器以及计算机，对旋转条件下边界层速度和温度进行测量，最终通过线性底层假设和湍流标准温度壁面率的验证，计算出壁面热流密度，且具有测量的精准性与易用性。
基于同一发明构思，还提供了一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量装置。由于此装置解决问题的原理与前述一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法相似，因此，该装置的实施可以按照前述方法的具体步骤实现，重复之处不再赘述。
如图2所示，为一个实施例中的一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量装置的结构示意图。该基于线性底层假设的壁面热流密度测量装置10包括：第一获取模块100、第二获取模块200、拟合模块300、第三获取模块400和测量模块500。
其中，第一获取模块100用于通过热线探针获取壁面的速度与温度；第二获取模块200用于通过预设算法获取并计算热线探针测点与壁面之间的距离；拟合模块300用于对边界层线性底层温度进行拟合；第三获取模块400用于基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数；测量模块500用于根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度，最终完成基于线性底层假设的壁面热流密度测量操作。
本发明提供的一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量装置，首先通过第一获取模块通过热线探针获取壁面的速度与温度；再通过第二获取模块通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离；再通过拟合模块对边界层线性底层温度进行拟合；再通过第三获取模块基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数；最终通过测量模块根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度，最终完成基于线性底层假设的壁面热流密度测量操作。该装置利用二路平行边界层热线探针、步进电机位移机构、小型CTA模块、小型数模转换模块、滑环引电器以及计算机，对旋转条件下边界层速度和温度进行测量，最终通过线性底层假设和湍流标准温度壁面率的验证，计算出壁面热流密度，且具有测量的精准性与易用性。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被图1中处理器执行。
本发明实施例还提供了一种包含指令的计算机程序产品。当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行上述图1的方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，例如“A、B或C的至少一个”的列举意味着A或B或C，或AB或AC或BC，或ABC(即A和B和C)。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。
为了示例和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过热线探针获取壁面的速度与温度；
通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离；
对边界层线性底层温度进行拟合；
基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数；
根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度，最终完成基于线性底层假设的壁面热流密度测量操作。
2.根据权利要求1所述的基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，其特征在于，所述通过热线探针获取壁面的速度与温度包括：
利用二路平行热线探针测得垂直于壁面的速度与温度分布。
3.根据权利要求1所述的基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，其特征在于，通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离包括：通过粘性底层速度梯度算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离。
4.根据权利要求1所述的集邮线性底层假设的壁面热流密度测量方法，其特征在于，所述对边界层线性底层温度进行拟合包括：对边界层线性底层温度完成拟合，生成拟合线性公式T＝Ky′+C，拟合范围为3.5＜y+＜5，其中，T为时均温度(℃)，y′为真实的热线探针距离壁面的垂直距离(mm)，确定后替换y。
5.根据权利要求1所述的基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，其特征在于，所述基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数包括：
近壁流体层温度梯度壁面温度Tf＝C。
6.根据权利要求1所述的基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，其特征在于，根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度包括：计算壁面摩擦温度无量纲温度其中的ρ和cp由当地T可得，其中，Tτ为壁面剪切温度(K)，qw为壁面热流密度(W/m2)，ρ为空气密度(kg/m3)，cp为定压比热容(J/(kg·K))，uτ为壁面剪切速度(m/s)，T+为无量纲温度(单位为1)。
7.根据权利要求1所述的基于线性底层假设的壁面热流密度测量方法，其特征在于，还包括：在粘性底层符合预设条件时，将获取的结果与标准度壁面率进行比较，其中，所述预设条件为粘性底层符合T+＝0.7y+，其中，y+为无量纲距离。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现所述权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
10.一种基于线性底层假设的壁面热流密度测量装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取模块，用于通过热线探针获取壁面的速度与温度；
第二获取模块，用于通过预设算法获取并计算所述热线探针测点与壁面之间的距离；
拟合模块，用于对边界层线性底层温度进行拟合；
第三获取模块，用于基于无滑移动界条件，根据对流换热量等于贴壁流体层的导热量，获取近壁流体层温度梯度值、壁面温度值以及物性参数；
测量模块，用于根据预设公式计算壁面摩擦温度与无量纲温度，最终完成基于线性底层假设的壁面热流密度测量操作。
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