CN111855737B - 借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统及方法，基于一维半无限大平板非稳态导热原理，通过对被测板状试验件进行加温，并施加采用电磁吸力触发的保温装置，该保温装置通过电磁吸力卸载及重力势能作用在测试过程中快速脱离被测板状试验件的上、下板状表面，达到换热系数测量原理要求的实验条件。通过对被测试验件进行加热及在表面覆盖保温装置，并通过电磁吸力触发方式剥离被测物体表面保温装置，实现被测物体表面的温度瞬间变化，使其更接近阶跃分布，在保持主流温度不变的条件下，实现换热系数测量。该换热系数测量方法及系统大幅降低了实验复杂度，从而减小了测量的不确定性。

Description

借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于燃气轮机、发动机等热端部件温度场预估所用的表面换热系数测量方法及系统。该方法及系统适用于平面风洞条件，提出电磁吸力触发方法实现被测物体表面加温保温及温度瞬变，结合半无限大平板温度瞬变原理，实现更准确和更经济的表面换热系数测量。
背景技术
地面燃气轮机、航空发动机等涡轮部件工作于高温燃气环境中，通常因为热负荷过高成为最易失效的部位之一，因此准确评估热端零件壁面的换热系数分布特征对涡轮部件热应力、热疲劳评估具有非常重要的意义。实验室条件下通常在燃气轮机/发动机模化等效工况下进行换热系数测量，并发展了薄膜热通量计、萘升华技术、氨-重氨技术等多种测量方法，但这些测量方法需在设定好的流动换热条件下稳定运行一定时间后获取测量结果，实验条件要求苛刻，实验周期长，误差大。
近年来红外、液晶等非接触测温技术得到广泛应用，其对流场无影响、可获取二维温度分布。基于这些非接触测温技术，根据一维半无限大平板非稳态导热原理，已发展了瞬态法测量被测表面换热系数。
如图1所示，一维半无限大物体非稳态导热原理：考虑位于半空间x≥0的半无限大物体，初始温度为Ti，其表面x＝0瞬间暴露于温度为Tm的流体中。假定导热仅发生在垂直于壁面的方向，即导热仅发生在x方向(当侧向导热热流远小于法向时近似成立)，并假定x＝0表面的对流换热系数h不随时间变化。则导热方程及边界条件分别满足下列关系式：
导热方程：
边界条件：t＝0，T(x，t)＝Tt，
其中，参数k为被测物体导热系数、t为导热时间、x为被测物体表面法线方向、h为被测物体表面对流换热系数、ρ为被测物体密度、c为被测物体比热、T为被测物体温度、Ti为被测物体初始温度、Tw为被测物体壁面温度、Tm代表来流温度。
可得被测物体壁面温度Tw随时间t的变化关系(其中erfc为误差函数)为：
从而，设计实验初始条件为被测物体为常温Ti，且被测物体温度均匀，来流温度瞬间升至Tm。在初始温差(Tm-Ti)下，测得被测物体壁面温度Tw随时间t的变化，根据一维半无限大物体非稳态导热计算公式可求得被测物体壁面的对流换热系数h。
该方法具有实验周期短，测量设备对被测表面无影响，误差小等特点。但也存在不足之处：其一，通常风洞主流流量较大，加热功率对加热设备要求较高，耗能较大，实验成本高；其二，风洞主流温升通常不高，仅能实现10℃以内的温升，一定程度限制了换热系数的测量精度；其三，对主流瞬时加温时间历程较长，国内外发表论文来看，快速升温阶段至少需要2-3秒，且升温后气流温度随空间和时间的稳定性不佳，使得真实温度变化过程不符合理论公式要求，导致换热系数的测量偏差较大。
发明内容
为解决现有瞬态法测量换热系数测量不准确、实验复杂度高、测量偏差较大的不足，本发明提出一种借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量方法及系统，对被测试验件进行加热及在表面覆盖保温装置，并通过电磁吸力触发方式剥离被测物体表面保温设施，实现被测物体表面的温度瞬间变化，使其更接近阶跃分布，在保持主流温度不变的条件下，实现换热系数测量。该换热系数测量方法及系统大幅降低了实验复杂度，从而减小了测量的不确定性。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，包括平面风洞试验段以及固定设置在所述平面风洞试验段中的被测板状试验件，所述平面风洞试验段用于提供具有稳定气流条件和温度条件的试验气流，所述被测板状试验件具有已知的物性参数，且所述被测板状试验件具备加热至恒定温度功能，其特征在于，
所述被测板状试验件的上、下板状表面上分别设置有若干电磁铁，所述被测板状试验件的上、下板状表面上分别对应覆盖有上、下保温装置，所述上、下保温装置上设有与各所述电磁铁一一对应的金属片；
所述被测板状试验件整体均匀地被加热至设定恒定温度后，所述上、下保温装置通过所述电磁铁与对应金属片之间的电磁吸力紧密无空隙地贴合在所述被测板状试验件的上、下板状表面上；
所述平面风洞试验段中还设有若干重物，其中部分重物通过拉线与所述上保温装置连接，另一部分重物通过拉线与所述下保温装置连接，当同时断开各所述电磁铁后，所述上、下保温装置在无电磁铁吸力时在重物的拉动下快速脱离所述被测板状试验件的上、下板状表面。
本发明的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，基于一维半无限大平板非稳态导热原理，通过对被测板状试验件进行加温，并施加采用电磁吸力触发的保温装置，该保温装置通过电磁吸力卸载及重力势能作用在测试过程中快速脱离被测板状试验件的上、下板状表面，达到换热系数测量原理要求的实验条件。
本发明的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统中，被测板状试验件的上、下板状表面与上、下保温装置之间通过电磁吸力吸附在一起。被测板状试验件的上、下板状表面布置若干电磁铁，上、下保温装置与被测板状试验件布置电磁铁的位置相对应布置金属片。电磁铁与金属片吸附后，上、下保温装置与被测板状试验件的上、下板状表面紧密贴合且二者之间无空隙，以保证保温效果。采用电磁吸力将被测板状试验件与保温装置连接，其作用在于：一是提供足够的作用力使保温装置与被测板状试验件紧密贴合，在风洞工作环境下起到保温作用；二是通过对电磁铁通断电实现对保温装置的控制，电磁铁断电即可使电磁吸力卸载，在重力势能作用下，保温装置可快速脱离被测板状试验件。
优选地，所述上、下保温装置脱离所述被测板状试验件的上、下板状表面后，在各所述重物的作用下被脱离至不影响所述被测板状试验件附近气动条件的位置，如远离所述被测板状试验件被测表面的位置，或置于所述被测板状试验件的下游位置。
优选地，所述平面风洞用于提供所需的具有稳定气流条件和温度条件的试验气流，包括来流速度、速度分布、湍流度、温度等。
优选地，所述被测板状试验件安装于所述平面风洞试验段中，所述被测板状试验件已知的物性参数至少包括试验件材料的密度、热容和导热系数等，用于所述被测板状试验件待测表面换热系数的求解计算。
进一步地，所述被测板状试验件的待测表面的尺寸、几何形状和/或粗糙度根据实验设计确定，可为平面或曲面。
进一步地，所述被测板状试验件的待测表面涂覆瞬态热色液晶或采用红外测温技术，以实现平面或曲面的温度测量功能。
进一步地，所述被测板状试验件具备加热至恒定温度功能，加温可通过加热膜或恒温热气流实现，且所述被测板状试验件中布置多个用于检验所述被测板状试验件是否达到均匀温度的热电偶。
本发明的另一个发明目的在于提供一种借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量方法，借助本发明的上述借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，其特征在于，所述换热系数测量方法至少包括如下步骤：
SS1.将被测板状试验件安装于平面风洞试验段中；
SS2.开启加热装置将被测板状试验件加热至预设温度，并经温度测量，保证被测板状试验件温度均匀恒定；
SS3.电磁铁通电，利用电磁吸力将上、下保温装置紧密无空隙地贴合在被测板状试验件的上、下板状表面上；
SS4.开启平面风洞，使其试验段达到试验要求的气动条件(速度、湍流度、温度等)；
SS5.电磁铁断电，触发上、下保温装置在重物的作用下脱离被测板状试验件的上、下板状表面，并借助瞬态热色液晶或红外测温手段记录被测板状试验件表面温度随时间变化历程；最终根据一维半无限大平板非稳态导热公式，计算被测布置试验件的表面换热系数分布。
同现有技术相比，本发明的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量方法及系统具有以下显著的优点：1.结构简单，对加热功率要求低，易操作，易实现；2.温度变化更接近半无限大物体非稳态导热计算要求，瞬态变化时间低于0.1s，远优于常规方法；3.被测试验件与风洞气流可实现更大温差，具有更高的换热系数预估精度；4.适用范围广，在亚音速风洞、跨音速风洞条件下更具有实用性。
附图说明
图1为一维半无限大物体非稳态导热示意图；
图2为典型开式平面风洞结构示意图；
图3为本发明借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统示意图；
图4为被测板状试验件的结构示意图；
图5为保温装置的结构示意图；
图中，1-平面风洞试验段，2-被测板状试验件，3-上保温装置，4-下保温装置，5-重物，6-电磁铁，7-金属片。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
本发明涉及一种借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量方法及系统，基于一维半无限大平板非稳态导热原理，其主要特征为被测板状试验件进行加温，并施加采用电磁吸力触发的保温装置，该保温装置通过电磁吸力卸载及重力势能作用在测试过程中快速脱离被测板状试验件表面，达到换热系数测量原理要求的实验条件。
如图2所示，典型的开式平面风洞包括风机、风道、风洞主体(包括扩张段、稳压段、收缩段)、试验段等，平面风洞试验段用于提供试验测量所需的稳定的气流条件，包括来流速度、速度分布、湍流度、温度等。
如图4，加工装配借助电磁吸力触发的换热系数测量的被测板状试验件2，该被测板状试验件2待测表面的尺寸、几何形状、粗糙度根据实验设计确定，可为平面或曲面；表面涂覆瞬态热色液晶或可适用红外测温技术，实现二维温度测量功能；试验件通过加热膜或恒温热气流可实现加热至恒定温度功能；试验件表面布置若干电磁铁6，提供电磁吸力。
相应地，如图5所示，上、下保温装置3、4与被测板状试试验件2的上、下板状表面相匹配，其表面形状与试验件表面一致，可紧密贴合实现保温功能，并在被测板状试验件2布置电磁铁6对应的位置布置金属片7。
如图3所示，本发明的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，包括平面风洞试验段1以及固定设置在平面风洞试验段1中的被测板状试验件2，平面风洞试验段1用于提供具有稳定气流条件和温度条件的试验气流，被测板状试验件2具有已知的物性参数，且被测板状试验件2具备加热至恒定温度功能。被测板状试验件2整体均匀地被加热至设定恒定温度后，上、下保温装置3、4通过电磁铁与对应金属片之间的电磁吸力紧密无空隙地贴合在被测板状试验件2的上、下板状表面上；平面风洞试验段1中还设有若干重物5，其中部分重物通过拉线与上保温装置3连接，另一部分重物通过拉线与下保温装置4连接，当同时断开各电磁铁后，上、下保温装置在无电磁铁吸力时在重物的拉动下快速脱离被测板状试验件2的上、下板状表面。
本发明的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统中，将借助电磁吸力触发的换热系数测量的被测板状试验件2和保温装置3、4安装至平面风洞试验段1上，要求安装过程保证电磁铁6可吸附金属片7提供电磁吸力，使保温装置3、4与被测板状试验件2紧密贴合。重物5用于提供实验过程中保温设施脱离试验件表面的拉力，经调试该拉力应小于电磁吸力，并能保证拉拽保温设施快速平稳脱离。
完成装配后，利用本发明的上述系统开始试验，并包括如下步骤：
首先，开启加热装置使被测板状试验件2加热到预设温度，并经温度测量，保证被测板状试验件2温度均匀。其次，开启风洞，使其试验段达到实验要求的气动条件(速度、湍流度等)。之后，电磁铁6通电，利用电磁吸力将上、下保温装置3、4紧密无空隙地贴合在被测板状试验件2的上、下板状表面上。然后，开启平面风洞，使其试验段达到试验要求的气动条件(速度、湍流度、温度等)。最后，电磁铁6断电，触发保温装置3、4脱离被测板状试验件2表面，并借助瞬态热色液晶或红外测温手段记录试验件表面温度随时间变化历程，最终根据一维半无限大平板非稳态导热公式，计算被测试验件表面换热系数分布。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，包括平面风洞试验段以及固定设置在所述平面风洞试验段中的被测板状试验件，所述平面风洞试验段用于提供具有稳定气流条件和温度条件的试验气流，所述被测板状试验件具有已知的物性参数，且所述被测板状试验件具备加热至恒定温度功能，其特征在于，
所述被测板状试验件的上、下板状表面均构成待测表面，且所述被测板状试验件的上、下板状表面上分别设置有若干电磁铁，所述被测板状试验件的上、下板状表面上分别对应覆盖有上、下保温装置，所述上、下保温装置上设有与各所述电磁铁一一对应的金属片；
所述被测板状试验件整体均匀地被加热至设定恒定温度后，所述上、下保温装置通过所述电磁铁与对应金属片之间的电磁吸力紧密无空隙地贴合在所述被测板状试验件的上、下板状表面上；
所述平面风洞试验段中还设有若干重物，其中部分重物通过拉线与所述上保温装置连接，另一部分重物通过拉线与所述下保温装置连接，当同时对各所述电磁铁断电后，所述上、下保温装置在无电磁铁吸力时在重物的拉动下快速脱离所述被测板状试验件的上、下板状表面，且所述上、下保温装置脱离所述被测板状试验件的上、下板状表面后，在各所述重物的作用下被脱离至不影响所述被测板状试验件附近气动条件的远离所述被测板状试验件被测表面的位置。
2.根据权利要求1所述的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，其特征在于，所述平面风洞试验段用于提供所需的具有稳定气流条件和温度条件的试验气流，所述稳定气流条件和温度条件至少包括来流速度、速度分布、湍流度、温度。
3.根据权利要求1所述的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，其特征在于，所述被测板状试验件安装于所述平面风洞试验段中，所述被测板状试验件已知的物性参数至少包括试验件材料的密度、热容和导热系数，用于所述被测板状试验件待测表面换热系数的求解计算。
4.根据权利要求3所述的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，其特征在于，所述被测板状试验件的待测表面的尺寸、几何形状和/或粗糙度根据实验设计确定，待测表面为平面或曲面。
5.根据权利要求4所述的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，其特征在于，所述被测板状试验件的待测表面涂覆瞬态热色液晶或采用红外测温技术，以实现平面或曲面的温度测量功能。
6.根据权利要求3所述的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，其特征在于，所述被测板状试验件具备加热至恒定温度功能，加热通过加热膜或恒温热气流实现，且所述被测板状试验件中布置有多个用于检验所述被测板状试验件是否达到均匀温度的热电偶。
7.一种借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量方法，借助权利要求1至6任一项所述的借助电磁吸力触发的平面风洞换热系数测量系统，其特征在于，所述换热系数测量方法至少包括如下步骤：
SS1. 将被测板状试验件安装于平面风洞试验段中；
SS2. 开启加热装置将被测板状试验件加热至预设温度，并经温度测量，保证被测板状试验件温度均匀恒定；
SS3. 电磁铁通电，利用电磁吸力将上、下保温装置紧密无空隙地贴合在被测板状试验件的上、下板状表面上；
SS4. 开启平面风洞，使其试验段达到试验要求的气动条件；
SS5. 电磁铁断电，触发上、下保温装置在重物的作用下脱离被测板状试验件的上、下板状表面，并借助瞬态热色液晶或红外测温手段记录被测板状试验件表面温度随时间变化历程；最终根据一维半无限大平板非稳态导热公式，计算被测板状试验件的表面换热系数分布。
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