CN112345585A - 一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法 - Google Patents

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姜林
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Abstract

本发明公开了一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法，属于工业测量领域。该测量方法包括以下步骤：首先利用气体流量计控制的预混火焰燃烧器和稳定的外加风场形成稳定的边界层火焰；利用高精度3‑D移动滑轨连接R‑型精细热电偶，利用电脑实现位置的精确控制；利用电脑控制的R‑型精细热电偶实现对边界层火焰温度场的精细测量，求取气固相界面的温度云图数据；根据本发明提供的边界层火焰对流换热系数与气固相界面温度云图之间的数值关系，进行编程，开发一款直接读取温度场数据，能够直接处理得到气固相界面对流传热数据的软件。本发明提出的测量方法可以免除作差测量法繁琐且精度低的缺点，具有操作简单方便、较高测量精度、易于推广的优点。

Description

一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法，能够实现对边界层火焰气固相界面对流传热的较高精度测量。
背景技术
对流传热是在流体流动进程中发生的热量传递的现象，是火灾研究领域的基础性测量手段，如何快速准确地获取对流换热数据，提升数据可靠性，不仅是工程热物理科学研究的基础需求，同样也是能源、石油化工、交通、航空航天等工业安全领域的重要问题。
对流传热有自然对流换热和强制对流换热两种。根据流动状态，又可分为层流传热和湍流传热。化学工业中所常遇到的对流传热，是将热由流体传至固体壁面(如靠近热流体一面的容器壁或导管壁等)，或由固体壁传入周围的流体(如靠近冷流体一面的导管壁等)。这种由壁面传给流体或相反的过程，通常称作给热。对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系，但对流传热的准确测量确实工程实践中的一大难题。在科研活动和工业生产中，热流数据的获取大多依靠数值计算及总热流计、辐射热流计作差间接测量所得。作为比较容易实现的研究手段，数值计算大量应用于航空航天等领域的热流研究中，所得结果也为工程应用提供了广泛参考。然而，数值计算往往是基于若干假设与简化的模型，计算方法也很难完全模拟实际情况。对于火灾中的对流传热，常用的测量方法有两种：一种是先分别利用总热流计和辐射热流计测得总热流和辐射热流，然后作差得到对流热流；另一种是分别对辐射热流及热传导进行测量，然后根据质量与能量守恒求得对流传热的数值。但上述两种方法均是间接测量得到的对流热流，误差率达到50％，且该方法采用的热流计体积大、实验布置繁琐，测量过程中对火焰具有较大扰动，准确性低、误差大。因此，如何开发一项可直接测量对流传热的新技术是火灾科学研究乃至工业测量领域的迫切需求。
发明内容
为了能够尽可能消除传统作差法获取对流传热的误差，提高对流换热测量精度，本发明提供一种基于边界层理论的对流传热测量方法。
本发明的目的是通过以下技术解决方案实现的：
一种基于边界层理论的对流传热测量方法，包括：
步骤一、建立在水平外加风作用下的稳定倾斜火焰，实现边界层火焰；
步骤二、将R-型精细热电偶安装在3D移动滑轨上，使用电脑通过步进电机控制热电偶测点位置，获得边界层火焰上各位置点的温度，得到尽可能精细的边界层火焰温度场；
步骤三、利用边界层火焰理论中对流换热系数与温度云图的数据，根据边界层火焰温度场数据，获得局部对流换热系数；
步骤四、根据对流传热计算公式，利用局部对流换热系数，可以获得平板上各处的局部对流换热。
进一步地，预混火焰是由气体流量计对丙烷和氧气气体进行恒定混合比例控制产生。
进一步地，边界层火焰是由外加稳定的风场控制产生。
进一步地，温度是由具有高精度且干扰极小的R-型精细热电偶测量得到，并由具有高精度的3D移动滑轨对测点位置进行控制，从而实现温度场精细准确的测量。
进一步地，局部对流换热系数与局部努塞尔数之间的关系如方程(1)所示。
利用边界层火焰理论，对于边界层火焰的局部对流换热系数hx和局部无量纲努塞尔数Nux分别有：
Figure BDA0002740758410000021
Figure BDA0002740758410000022
式中，x是距边界层起点的距离，kw代表边界层薄膜导热系数，Rex和Pr分别为无量纲雷诺数和无量普朗特数。根据该公式，得到平板上方温度云图数据后，可以利用程序实时对该数据进行运算处理，从而得到实时的局部对流传热。
进一步地，采用边界层火焰理论的数值关系，编写处理程序，实现从温度梯度数据直接得到对流传热的目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供了一种基于边界层理论的对流换热测量方法，通过3D移动滑轨控制热电偶获取尽可能精细的温度场数据，根据边界层火焰理论中对流换热系数的关系式，编写处理边界层火焰温度场数据的软件，通过该软件处理边界层火焰温度场数据，直接获得边界层火焰与平板接触各点的对流传热。本发明可解决火灾科学现有对流传热测量的短板问题，通过该方法可以准确地获取对流传热数据，与传统的作差测量方法相比，该测量方法对测量对象干扰较小，可以有效提高测量效率和精度，更适合在石油化工、公共安全等领域中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法利用的装置结构示意图。
具体实施方式
下面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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种基于边界层理论的对流传热测量方法，下面结合附图对本发明具体实施例做进一步的详细描述：
1.搭建实验台
建立在外加风作用下的强迫对流实验模型，如图1所示：实验燃烧所用为丙烷与空气的预混气体，采用气体流量计控制混合比例，使之产生稳定的火焰燃烧；将燃烧器置于燃烧平台上，使火焰底部与燃烧平台几乎在同一平面；设置稳定均匀的外加风场，使火焰与平板间形成稳定的边界层火焰。
2.获取边界层火焰的温度场
将R-型精细热电偶置于3D移动滑轨上，利用电脑通过步进电机精确控制热电偶测点位置，获取各测点的温度，可以准确捕获边界层火焰温度云图，进而构成较为精细的温度场数据。
3.获取对流换热
利用边界层火焰理论，对于边界层火焰的局部对流换热系数hx和局部无量纲努塞尔数Nux分别有：
Figure BDA0002740758410000031
Figure BDA0002740758410000041
式中，x是距边界层起点的距离，kw代表边界层薄膜导热系数，Rex和Pr分别为无量纲雷诺数和无量普朗特数。根据该公式，得到平板上方温度云图数据后，可以利用程序实时对该数据进行运算处理，从而得到实时的局部对流传热。
利用获得的边界层火焰温度场，根据边界层理论中对流换热系数与温度梯度之间的数值关系，利用编写程序处理得到边界层火焰与平板接触各点的对流换热系数，进而获取对流换热。
本发明方案采用边界层火焰理论，通过测量得到的温度梯度进而直接获取对流传热，有效消除间接法的测量误差，具有以下特点：
1、方法实现简单。传统的作差法测量对流传热，通常利用全热流计和辐射式热流计分别测得总热流和辐射热流，然后作差得到对流热流，该方法操作困难、步骤繁琐；而本方法采用3D移动滑轨控制R-型精细热电偶，实现对边界层火焰温度云图测量后可直接利用编写的软件计算获取对流换热，方法简单高效。
2、测量准确，对待测火焰干扰较小。由于水冷式热流计体积较大，对燃烧实验中火焰形态稳定性有较大影响，测量误差可达50％；但精细热电偶探头极小，对火焰干扰可忽略不计，且由于是直接获取，相较于作差法具有更高的精度。
3、方法可移植性强，易推广。相较于作差的传统测量方法，热流计具有较大的体积，在很多场景下测量对流传热具有较大的难度，但本方法提供了采用R-型精细热电偶进行温度场测量，并进而通过数值计算获取对流换热数值，具有更大的推广价值，可在航空航天、石油化工、火灾科学、工业测量、公共安全等领域取得广泛的应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法，其特征在于，包括：
步骤一、使用预混火焰燃烧器构成稳定的预混燃烧火焰，使其置于风机形成较为稳定的外加风场中，形成稳定的边界层火焰；
步骤二、采用3-D移动滑轨控制R-型精细热电偶，利用电脑控制移动滑轨得到边界层火焰较为精细的温度场；
步骤三、利用边界层火焰温度场数据，处理得到火焰边界层中的温度云图；
步骤四、利用边界层火焰理论，根据温度云图计算得到对流传热数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法，其特征在于：预混火焰是由气体流量计对丙烷和氧气气体进行恒定混合比例控制产生。
3.根据权利要求1所述的一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法，其特征在于：边界层火焰是由外加稳定的风场控制产生。
4.根据权利要求1所述的一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法，其特征在于：温度是由具有高精度且干扰极小的R-型精细热电偶测量得到，并由具有高精度的3D移动滑轨对测点位置进行控制，从而实现温度场精细准确的测量。
5.根据权利要求1所述的一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法，其特征在于：局部对流换热系数与局部努塞尔数的关系如方程(1)所示，利用边界层火焰理论，对于边界层火焰的局部对流换热系数hx和局部无量纲努塞尔数Nux分别有：
Figure FDA0002740758400000011
Figure FDA0002740758400000012
式中，x是距边界层起点的距离，kw代表边界层薄膜导热系数，Rex和Pr分别为无量纲雷诺数和无量普朗特数；根据该公式，得到平板上方温度云图数据后，可以利用程序实时对该数据进行运算处理，从而得到实时的局部对流传热。
6.根据权利要求1所述的一种基于边界层理论的火焰对流传热测量方法，其特征在于：采用边界层火焰理论的数值关系，编写处理程序，实现从温度云图数据直接得到局部对流传热的目的。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113343495A (zh) * 2021-07-01 2021-09-03 中国航发沈阳发动机研究所 一种管壳式燃滑油散热器热性能模型修正方法
CN114295859A (zh) * 2021-12-31 2022-04-08 中国科学技术大学 一种多角度测量装置及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102081059A (zh) * 2010-11-25 2011-06-01 哈尔滨工程大学 强内热源多孔介质通道强迫对流换热实验装置
CN103454308A (zh) * 2013-09-23 2013-12-18 中国科学技术大学 一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置
CN104820748A (zh) * 2015-05-07 2015-08-05 北京宇航系统工程研究所 一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法
CN104913862A (zh) * 2015-05-22 2015-09-16 清华大学 基于圆箔热流计的对流热流测量方法
CN109709140A (zh) * 2019-01-16 2019-05-03 武汉大学 一种微尺度下局部对流换热系数的测量方法及装置
CN110362892A (zh) * 2019-06-28 2019-10-22 南京理工大学 相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102081059A (zh) * 2010-11-25 2011-06-01 哈尔滨工程大学 强内热源多孔介质通道强迫对流换热实验装置
CN103454308A (zh) * 2013-09-23 2013-12-18 中国科学技术大学 一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置
CN104820748A (zh) * 2015-05-07 2015-08-05 北京宇航系统工程研究所 一种运载火箭大气层内飞行段舱段温度场分布确定方法
CN104913862A (zh) * 2015-05-22 2015-09-16 清华大学 基于圆箔热流计的对流热流测量方法
CN109709140A (zh) * 2019-01-16 2019-05-03 武汉大学 一种微尺度下局部对流换热系数的测量方法及装置
CN110362892A (zh) * 2019-06-28 2019-10-22 南京理工大学 相变型自然冷却散热器肋片最佳尺寸参数确定方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MICHAEL J. GOLLNER ET AL.: "A methodology for estimation of local heat fluxes in steady laminar boundary layer diffusion flames", 《COMBUSTION AND FLAME》 *
MICHAEL J. GOLLNER ET AL.: "Local Burning Rates and Heat Flux for Forced Flow Boundary-Layer Diffusion Flames", 《AIAA》 *
OLEG KOROBEINICHEV, ET AL.: "An experimental study of horizontal flame spread over PMMA surface in still air", 《COMBUSTION AND FLAME》 *
SPC2014: "努赛尔数的求法汇总", 《豆丁网》 *
东南大学 苏华钦: "《冶金传输原理》", 31 December 1989 *
姜林: "型聚合物材料的热解动力学与火蔓延特性研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 *
汪健生等: "《燃烧学》", 30 June 2017 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113343495A (zh) * 2021-07-01 2021-09-03 中国航发沈阳发动机研究所 一种管壳式燃滑油散热器热性能模型修正方法
CN114295859A (zh) * 2021-12-31 2022-04-08 中国科学技术大学 一种多角度测量装置及方法

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