CN114295859B - 一种多角度测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

发明公开一种多角度测量装置及方法。所述装置包括风道测试部(1)、三角支架(3)和烟气喷射口(12)；风道测试部(1)前后端各布置一个匀速网格(2)；三角支架(3)用于固定待测物体，三角支架(3)安装在底座(4)上，底座(4)可在XY方向上平移三角支架(3)，由步进电机或手动调节XY方向的移动量；待测物体的待测表面上方安装比托管支架(6)；比托管支架(6)可以上下移动，并能180度旋转和仰角度调节；烟气喷射口(12)安装在风道测试部(1)的进气前段，喷出烟气直观显示流场分布。

Description

一种多角度测量装置及方法
技术领域
本发明属于流体力学和传热学技术领域，具体涉及一种多角度测量装置及方法。
背景技术
流体以速度u∞平行流过平板，当流体质点接触到平板表面时，它们的速度降为零。由于流体具有黏性，这些质点又会阻碍临近的流体层中质点的运动，使其速度降低接近于零，而后者又阻碍上一层质点的运动，降低其速度，依次类推，直到离开平板表面的距离y＝δ时，这种影响才可以忽略。随着离开表面的距离y的增加，流体的速度分量u逐渐增加，直到接近自由流u∞的值。通常定义u＝0.99u∞的y值为边界层厚度δ。随着离前缘距离的增加，黏性的影响逐步渗透进自由流，边界层也相应增厚。
如图1所示，由于边界层的存在，流体的流动可分成两个不同区域来描述，一个是很薄的流体层，其中速度梯度和切应力很大；另一个是边界层以外的区域，这里速度梯度和切应力可以忽略。
由于与流体速度相关，所以边界层又称为速度边界层。只要有流体流过物体表面，就会产生边界层。边界层在流体传热传质中起到非常重要的作用。
在流体力学中，对于外部流动的局部摩擦系数Cf与表面切应力τs关系密切：
Figure BDA0003450439470000011
对于牛顿流体，由于流体黏度μ产生的表面切应力τs可由表面处的速度梯度计算：
Figure BDA0003450439470000012
如果物体表面温度与流体的温度不同，就会产生热边界层。流体流过平板表面前温度T∞分布是均匀的。当流体质点接触到平板表面时，由于温度不同会发生热交换达到热平衡，而处于平板的表面温度Ts。类似于速度边界层，这些质点和邻近流体层中的质点会发生热交换，并在流体中产生温度梯度。这个存在温度梯度的流体区域就是热边界层。通常按Ts-T＝0.99(T∞-T)温度区域定义热边界层的厚度。随着离开前缘的距离的增加，传热的影响逐步渗透进自有流，相应地，热边界层会增厚。
流体与平板由于温差而产生的局部表面热流密度可以通过对y＝0的流体应用傅里叶定律得到：
Figure BDA0003450439470000021
流体与表面的局部对流换热系数：
Figure BDA0003450439470000022
发明内容
本发明的目的针对测量流体速度边界层和热边界层，提出一种多角度测量装置及方法。所述多角度测量装置可以测定某一定点的流体速率和方向，适用于不同形状表面的速度边界层；还可以测不同形状表面的热边界层内温度分布。
本发明采用如下技术方案：
一种多角度测量装置，包括风道测试部1、三角支架3和烟气喷射口12；风道测试部1前后端各布置一个匀速网格2；三角支架3用于固定待测物体，三角支架3安装在底座4上，底座4能够在XY方向上平移三角支架3，待测物体位于风道测试部1内；比托管支架6上安装有比托管5或温度探头；比托管5或温度探头设置在待测物体的待测表面上方；比托管支架6能够上下移动，并能180度旋转和俯仰角度调节，用于调节比托管5或温度探头的测试方向；烟气喷射口12安装在风道测试部1的进气段，用于喷出烟气。
进一步地，底座4由步进电机或手动调节XY方向的移动量。
进一步地，所述比托管为测速比托管。
本发明提供一种测量速度边界层的方法，使用如上所述的装置，包括以下步骤：将待测物体固定在三角支架3上，待测表面向上；校准比托管5零点位置，然后调节底座4XY位置，使待测物体的特征点位于比托管5零点位置下方；
根据雷诺数
Figure BDA0003450439470000023
调节来流的速度，使测试段流动分别处于层流、湍流和过渡流三种状态；稳定后，开始测试；调节比托管5测试零点最大速度，此时比托管流速方向一致；垂直速度方向移动比托管，测出速度梯度；移动三角支架3，测出流动方的速度变化，界定边界层厚度。
一种测量热边界层的方法，使用如上所述的装置，包括以下步骤：将待测物体固定在三角支架3上，待测表面向上；将热电偶安装于比托管支架上；将热电偶零点固定于待测物体的待测点；通电预热待测表面，使其温度高于来流温度；并控制待测段气流速度；测试温度分布，得到热边界层。
进一步地，风道测试部1前后端各布置一个匀速网格2，用于稳定和均匀测试部1的流体速度。三角支架3用于固定待测物体，三角支架3安装在底座4上，底座4可在XY方向上平移三角支架3。底座4由步进电机或手动调节XY方向的移动量。待测物体位于风道测试部1内。待测表面上方安装测速比托管5，比托管支架6可以上下移动，并能180度旋转和一定俯仰角度调节，用于调节比托管5的测试方向。
进一步地，比托管支架6由圆弧形滑轨7，升降架8和旋转台9构成。升降架8固定在风道测试部1的上方，圆弧形滑轨7安装在升降架8上，可上下移动。旋转台9固定在圆弧形滑轨7上，可沿轨道作圆周滑动，实现比托管5作俯仰运动。比托管5安装在旋转台9的圆形轨道10内，实现比托管5以测点为圆周180度旋转，用于测试湍流内的速度方向。
进一步地，三角支架3由三根可调高度的升降杆构成，可调节待测表面的迎风角，测试不同角度的来流产生的边界层和尾流。
进一步地，烟气喷射口12安装在风道测试部1进气前段，喷出烟气直观显示流场分布。
进一步地，将待测物体固定在三角支架3上，待测表面向上。校准比托管5零点位置，然后调节底座4XY位置，使待测物体某一特征点位于比托管5零点位置下方。
根据雷诺数
Figure BDA0003450439470000031
调节来流的速度，使测试段流动分别处于层流、湍流和过渡流三种状态。稳定30分钟，开始测试。调节比托管5测试零点最大速度，此时比托管流速方向一致。垂直速度方向移动比托管，测出速度梯度；移动三角支架3，测出流动方的速度变化，界定边界层厚度。
进一步地，热边界层测量采用等热流表面法，用金属膜18U形包裹待测平板13，金属膜18两端通电加热平板13，在待测平板13内形成对称温度分布。在平板前缘做45度切面，降低前缘流体扰动。在平板13背面一侧刻布线槽道16，从前缘沿中心线到尾部前密后疏不均匀布置热电偶测点15，用于测量待测表面沿程温度分布，从各测点15垂直于布线槽道(16)刻热电偶槽14通向布线槽道16，用于布置热电偶和偶丝，以保持金属膜18表面平整。测量热边界层时将温度探头，如热电偶安装于比托管支架上。设定来流温度和速度，测量方法同速度边界层一样，只需测量某个点的温度大小。
优点和积极效果：
本发明的多角度测量装置和方法，能测试不同形状的边界层和不同方向的速度变化，所装置结构简单，可操作性强。更换测试探头可以测热边界层。
附图说明
图1速度边界层示意图；
图2速度边界层测量系统；
图3可旋转多角度测量速度探头的安装结构；
图4热边界层测试平板结构和测点布置示意图；
图5热边界层(高温表面)示意图；
图6比托管结构示意图；
图7用于热边界层温度的热电偶及支架。
图中，1风道测试部、2匀速网格、3三角支架、4底座、5比托管、6比托管支架、7圆弧形滑轨、8升降架、9旋转台、10圆形轨道、12烟气喷射口、13待测平板、14热电偶槽、15热电偶测点、16布线槽道、18金属膜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
图2为速度边界层测量系统。图3为可旋转多角度测量速度探头的安装结构。如图2-3所示，在本发明的一个实施例中，提供一种速度边界层测量系统，风道测试部1前后端各布置一个匀速网格2，用于稳定和均匀风道测试部1的流体速度。三角支架3用于固定待测物体，三角支架3安装在底座4上。底座4可在XY方向上平移三角支架3，底座4由步进电机或手动调节XY方向的移动量。待测物体位于风道测试部1内。待测表面上方安装测速比托管5。比托管5安装在比托管支架6上。比托管支架6可以上下移动，并能180度旋转和一定俯仰角度调节，用于调节比托管5的测试方向。
比托管支架6由圆弧形滑轨7，升降架8和旋转台9构成。升降架8固定在风道测试部1的上方，圆弧形滑轨7安装在升降架8上，可上下移动。旋转台9固定在圆弧形滑轨7上，可沿轨道作圆周滑动，实现比托管5作俯仰运动。比托管5安装在旋转台9的圆形轨道10内，实现比托管5以测点为圆周180度旋转，用于测试湍流内的速度方向。
三角支架3由三根可调高度的升降杆构成，可调节待测表面的迎风角，测试不同角度的来流产生的边界层和尾流。
烟气喷射口12安装在风道测试部1进气前段，喷出烟气直观显示流场分布。
一种测量速度边界层的方法，使用如上所述的装置，将待测物体固定在三角支架3上，待测表面向上。校准比托管5零点位置，然后调节底座4XY位置，使待测物体某一特征点位于比托管5零点位置下方。
根据雷诺数
Figure BDA0003450439470000051
调节来流的速度，使测试段流动分别处于层流、湍流和过渡流三种状态。稳定30分钟，开始测试。调节比托管5测试零点最大速度，此时比托管流速方向一致。垂直速度方向移动比托管，测出速度梯度；移动三角支架3，测出流动方的速度变化，界定边界层厚度。
在本发明的另外一个实施例中，提供一种热边界层测量系统，本实施例的多角度热边界层测量装置与图1-2所示的速度边界层测量系统的结构相似，不同之处在于：所述热边界层测量系统不使用比托管5，而是使用如图7所示的热电偶及热电偶支架代替比托管5，热电偶安装在热电偶支架上，热电偶支架安装在比托管支架6上。待测表面上方安装热电偶，比托管支架6可以上下移动，并能180度旋转和一定俯仰角度调节，用于调节热电偶的测试方向。旋转台9固定在圆弧形滑轨7上，可沿轨道作圆周滑动，实现热电偶作俯仰运动。热电偶安装在旋转台9的圆形轨道10内，实现热电偶以测点为圆周180度旋转，用于测试某个定点的温度。图4为热边界层测试平板结构和测点布置示意图。所述的待测物体为待测平板13。如图4所示，热边界层测量采用等热流表面法，用金属膜18U形包裹待测平板13，金属膜18两端通电加热平板13，在待测平板13内形成对称温度分布。在平板前缘做45度切面，降低前缘流体扰动。在平板13背面一侧刻布线槽道16，从前缘沿中心线到尾部前密后疏不均匀布置热电偶测点15，用于测量待测表面沿程温度分布，从各测点15垂直于布线槽道16刻热电偶槽14通向布线槽道16，用于布置热电偶和偶丝，以保持金属膜18表面平整。测量热边界层时，将待测物体固定在三角支架3上；将热电偶支架安装于比托管支架6上；热电偶安装在热电偶支架上。将热电偶零点固定于待测物体的待测点；通电预热待测表面，使其温度高于来流温度；并控制待测段气流速度；测试温度分布，得到热边界层。
实施例1
一种多角度测量装置，用1mm厚的不锈钢做截面为400mm*400mm的正方形风道测试部1长1500mm，在测试部一侧开长500mm高150mm的窗口，安上5mm厚的玻璃做观察窗。前后端各布置一个匀速网格厚度为200mm。用三支长150mm的螺旋微分头作三角支架安装在底座上。底座用两个步进电机控制XY方向上的平移位移量。
采用长400mm的比托管，前端测管直径2mm，长20mm，主管直径6mm，安装在直径50mm的旋转台内直径40mm的圆弧形滑轨上。圆弧形滑轨直径350mm固定在升降架。
用直径3mm的不锈钢管做烟气喷射口。
用厚6mm宽100mm长300mm的电木做平板，在平板前缘做45度切面，再用厚50微米的铜片U形包裹平板做电加热器，接低压稳压电源加热。在平板背面一侧边缘10mm刻3mm*3mm的布线槽道，从前缘沿中心线前20mm每隔2mm布置一个热电偶，接着100mm内每隔10mm布置一个热电偶，后面都是每隔50mm布置一个热电偶到尾部，再从各测点垂直刻1mm*1mm的布线槽道。
测热边界层时，先将平板安装在三角支架上，调好位置；将比托管换成热电偶支架，热电偶支架安装在比托管支架6上。热电偶安装在热电偶支架上。将热电偶零点固定于平板的待测点；通电预热待测表面，使其温度高于来流温度20度左右；开启风机并将待测段气流速度控制在一定的范围，稳定30分钟；因为温度没有方向，只需垂直平板方向移动热电偶，测试温度分布，得到热边界层。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种多角度测量装置，其特征在于，包括风道测试部（1）、三角支架（3）和烟气喷射口（12）；风道测试部（1）前后端各布置一个匀速网格（2）；三角支架（3）用于固定待测物体，三角支架（3）安装在底座（4）上，底座（4）能够在XY方向上平移三角支架（3），待测物体位于风道测试部（1）内；比托管支架（6）上安装有比托管（5）；比托管（5）设置在待测物体的待测表面上方；比托管支架（6）能够上下移动，并能180度旋转和俯仰角度调节，用于调节比托管（5）的测试方向；烟气喷射口（12）安装在风道测试部（1）的进气段，用于喷出烟气；
所述比托管支架（6）由圆弧形滑轨（7）、升降架（8）和旋转台（9）构成；升降架（8）固定在风道测试部（1）的上方，圆弧形滑轨（7）安装在升降架（8）上，能够上下移动；旋转台（9）固定在圆弧形滑轨（7）上，能够沿轨道作圆周滑动；比托管（5）安装在旋转台（9）的圆形轨道（10）内，实现比托管（5）以测点为圆心180度旋转；
底座（4）由步进电机或手动调节XY方向的移动量；三角支架（3）由三根能够调节高度的升降杆构成，能够调节所述待测表面的迎风角；
所述多角度测量装置用于测量速度边界层；
待测物体固定在三角支架（3）上，待测物体的待测表面向上；校准比托管（5）零点位置，然后调节底座（4）XY位置，使待测物体的特征点位于比托管（5）零点位置下方。
2.一种多角度测量装置，其特征在于，包括风道测试部（1）、三角支架（3）和烟气喷射口（12）；风道测试部（1）前后端各布置一个匀速网格（2）；三角支架（3）用于固定待测物体，三角支架（3）安装在底座（4）上，底座（4）能够在XY方向上平移三角支架（3），待测物体位于风道测试部（1）内；比托管支架（6）上安装有温度探头；温度探头设置在待测物体的待测表面上方；比托管支架（6）能够上下移动，并能180度旋转和俯仰角度调节，用于调节温度探头的测试方向；烟气喷射口（12）安装在风道测试部（1）的进气段，用于喷出烟气；
所述比托管支架（6）由圆弧形滑轨（7）、升降架（8）和旋转台（9）构成；升降架（8）固定在风道测试部（1）的上方，圆弧形滑轨（7）安装在升降架（8）上，能够上下移动；旋转台（9）固定在圆弧形滑轨（7）上，能够沿轨道作圆周滑动；温度探头安装在旋转台（9）的圆形轨道（10）内，实现温度探头以测点为圆心180度旋转；
底座（4）由步进电机或手动调节XY方向的移动量；
三角支架（3）由三根能够调节高度的升降杆构成，能够调节所述待测表面的迎风角；
所述温度探头为热电偶；所述待测物体为待测平板（13）；用金属膜（18）U形包裹待测平板（13），金属膜（18）两端通电加热平板（13），在待测平板（13）内形成对称温度分布；在平板（13）背面一侧刻布线槽道（16），从前缘沿中心线到尾部前密后疏不均匀布置多个热电偶测点（15），用于测量待测平板的待测表面温度分布；
从各测点（15）垂直于布线槽道（16）刻热电偶槽（14），热电偶槽（14）通向布线槽道（16），用于布置热电偶；
在所述平板（13）前缘做45度切面，降低前缘流体扰动；
所述多角度测量装置用于测量热边界层。
3.一种测量速度边界层的方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的装置，包括以下步骤：将待测物体固定在三角支架（3）上，待测表面向上；校准比托管（5）零点位置，然后调节底座（4）XY位置，使待测物体的特征点位于比托管（5）零点位置下方；
根据雷诺数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
调节来流的速度，使测试段流动分别处于层流、湍流和过渡流 三种状态；稳定后，开始测试；调节比托管（5）测试零点最大速度，此时比托管与流速方向一 致；垂直速度方向移动比托管，测出速度梯度；移动三角支架（3），测出流动方的速度变化， 界定边界层厚度。
4.一种测量热边界层的方法，其特征在于，使用如权利要求2所述的装置，包括以下步骤：将待测物体固定在三角支架（3）上；将热电偶安装于比托管支架上；将热电偶零点固定于待测物体的待测点；通电预热待测表面，使其温度高于来流温度；并控制待测段气流速度；测试温度分布，得到热边界层。
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