一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法与流程

本发明涉及测量技术领域，特涉及一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，特别是应用于涡轮叶片内冷通道、冲击冷却靶面等模型实验中的对流换热系数的测试方法。

背景技术：

在以往的流动换热实验研究中，使用较多的是稳态实验方法，比如铜块加热法、薄膜加热法等应用的都比较成熟。由于其原理简单，实现起来比较容易，所以一直是人们获得壁面换热系数的主要手段，但是稳态方法也存在着自身不可避免的缺陷。对于一个流动换热的过程来说，流动的稳定是十分迅速的，而换热的稳定却是一个非常缓慢的过程，往往需要几十分钟甚至几个小时，这就使得稳态方法的实验时间较长，需要耗费大量的人力和物力。并且某些复杂的表面很难提供等热流边界条件。

相比于稳态实验测量对流换热系数，瞬态实验具有非常大的优势。其核心思想都是利用一定条件下的瞬态传热过程的解析解(通常表示成物体温度与时间、物性参数以及换热特性参数的函数关系)，与实验获得瞬态过程的温度变化(即温度-时间的曲线)进行对比，从而获得所需要的换热特性参数。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法。本发明采用瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，该方法是基于一维半无限大平板的基本假设，通过理论分析得到其非稳态导热过程的解析解。在实验过程中，通过低导热系数的有机玻璃板来模拟一维半无限大的平板，通过热电偶记录下气流温度随时间的变化过程，通过CCD相机记录下壁面温度随时间的变化过程，最后通过迭代求解解析解的方程，得到壁面的对流换热系数。本发明解决了稳态实验时间长，耗费大量人力物力等技术缺陷，可快速实现壁面的对流换热系数的测量。

本发明的技术方案：一种瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，

包括对瞬态液晶进行标定的步骤和测量的步骤，其特征在于：

所述的对瞬态液晶进行标定的步骤包括如下步骤：

标定步骤1、在铜块表面喷涂黑漆，然后在黑漆表面喷涂上一层瞬态液晶，使CCD相机和冷光源正对铜块表面，微调加在加热丝上的电压，经长时间的稳定后，使铜块的温度处在30℃-50℃之间，温度值用热电偶测得，通过CCD相机拍下此时液晶表面的照片，获得液晶显现红色时色度值；

标定步骤2、将温度值T与色度值的对应关系拟合成经验关系式；

测量的步骤包括如下步骤：

测量步骤1、流动通道四周以及底部由绝热材料围绕，流动通道上方分别依次设置黑漆、瞬态液晶、有机玻璃板，其中黑漆、瞬态液晶的厚度、型号和标定过程中完全相同，在流动通道底部的绝热材料设置冲击孔，冲击孔旁设置热电偶，冲击孔与气源连接；并在绝热材料旁边布置一个秒表，CCD相机和冷光源正对有机玻璃板表面，采集系统与CCD相机相连，采集系统用于采集图像和数据处理；

测量步骤2、打开采集系统及数据采集程序，打开气源，调节通过冲击孔的流量，使整个系统的流动状态保持稳定，气流温度通过热电偶测量，整个系统在室温的状态下达到热平衡状态；打开数据采集程序通过热电偶对气流温度进行采集；打开CCD相机对瞬态液晶图像进行录像；在某一时刻突然改变气流温度，使气流温度迅速升高；LED指示灯同步亮起，并通过数据采集程序及热电偶记录下温度随时间的变化数据。

根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：所述的标定步骤1中，铜块的厚度为5mm，铜块的表面积小于4平方厘米，所述的黑漆的厚度低于20μm，所述的瞬态液晶厚度低于5μm，所述的瞬态液晶和黑漆的喷涂采用气动美工喷笔，喷嘴直径为0.3mm，所述的黑漆和瞬态液晶的喷涂采用多次喷涂的方式，相邻两次喷涂过程的喷枪走向为垂直正交走向。

根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：所述的测量步骤1中有机玻璃板的厚度为10mm，其表面积与标定过程中铜块的表面积一致。

根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：还包括进行数据处理的步骤，数据处理时首先将实验中所采集的视频录像文件逐帧输出为图片序列，图片名称为0.jpeg，1.jpeg，……，n.jpeg，根据照片上的LED指示灯对应的时间确定加热开始时刻所对应的照片序号i.jpeg。

根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：还包括获得了实验区域内坐标位置的步骤，具体方位为按顺序逐张扫描照片中的实验区域内色度值5≤hue≤10所在的像素点的坐标(x,y)及对应的图片序号。

根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：还包括利用公式求解换热系数的步骤，包括以下两个公式

其中，n＝j-i，T_c(τ_i)为i时间的热电偶采集的温度值；T₀为热平衡状态时热电偶7采集的温度值；ρ为气流密度，c为气流比热，λ为气流导热系数，该三个参数均为常量，可以测量，β为未知数。

根据如上所述的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，其特征在于：所述的β根据公式3获得，

其中β的范围是0≤β＜3.546。

本发明的有益效果是：与稳态实验测量对流换热系数的方法相比，本发明能在很大程度上解决目前稳态实验耗时长、精度低等问题，可以在60秒内完成对表面对流换热系数的测量，大大降低了实验人员的时间，同时节约了实验费用，降低了实验成本。采用牛顿迭代法求解换热系数h，可以使换热系数的误差低于0.3％，提高了测量的精度和准确性。

附图说明

图1是本发明的瞬态液晶标定装置示意图；

图2是本发明的实验过程样品测试的布置图；

图3为β的求解流程图。

附图标记说明：CCD相机1、冷光源2、瞬态液晶3、黑漆4、铜块5、加热丝6、热电偶7、冲击孔8、绝热材料9、秒表10、有机玻璃板11、采集系统12、LED指示灯13。

具体实施方式

名称解释：瞬态液晶是一种在一定温度范围内，可以在不同温度下，显现不同颜色的液晶。

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明的瞬态液晶用于测量对流换热系数的非稳态测量方法，可用于平板流动通道内的对流换热系数的测量，也可以使用与带有弧形不规则表面的对流换热系数的测量。该方法利用了瞬态液晶在不同温度下显示不同颜色的特点，通过突然改变气流的温度，使得被测表面的液晶随时间发生变化，利用图像采集系统记录下液晶的变化过程，通过单色液晶捕捉技术以及基于一维非稳态导热方程的反问题求解算法获得被测量表面的对流换热系数。该方法的步骤如下(见图1和图2)：

首先，对瞬态液晶进行标定，获得瞬态液晶温度值T与色度值hue的对应关系拟合成经验关系式，标定过程包括如下步骤：

标定步骤1、在铜块5表面喷涂黑漆4，然后在黑漆表面喷涂上一层瞬态液晶3，铜块5的厚度选取5mm最佳，铜块5的表面积小于4平方厘米，这样可以使得整个铜块的温度均匀，保证标定的准确。黑漆4的厚度低于20μm，瞬态液晶厚度低于5μm。瞬态液晶3和黑漆4的喷涂采用气动美工喷笔，喷嘴直径为0.3mm。黑漆4和液晶3的喷涂都要采用多次喷涂的方式，相邻两次喷涂过程的喷枪走向为垂直正交走向，这样可以充分的保证黑漆4和液晶3的均匀性，利于测温的准确。CCD相机1和冷光源2正对铜块表面。微调加在加热丝6上的电压，经长时间的稳定后，使得整个铜块5的温度处在30℃-31℃之间，温度值T用热电偶7测得。此时使瞬态液晶3的显色处在红色的状态下，通过CCD相机1拍下此时液晶表面的照片，通过图像分析软件，获得液晶显现红色时色度值(5<hue<10)，其中hue代表色度值。选用红色作为标定颜色具有以下两点优势，一是红色比较明显，利于实验过程中进行捕捉，二是液晶显现红色的时候对应的温度最低，这样可以使得整个实验过程在较低的温度状态下完成，有利于节约实验成本。

标定步骤2、将温度值T与色度值的对应关系拟合成经验关系式，以便在实验过程中可以根据色度值反求出温度值T。

然后利用瞬态液晶温度值T与色度值的对应关系进行流动通道对流换热系数的非稳态测量，包括以下步骤：

测量步骤1、本实施例中，在流动通道四周以及底部由绝热材料9围绕，流动通道上方分别依次设置黑漆4、瞬态液晶3、有机玻璃板11，其中黑漆4、瞬态液晶3的厚度、型号和标定过程中完全相同，有机玻璃板11的厚度最好为10mm，其表面积最好与标定过程中铜块5的表面积一致，有机玻璃板11要求透光性好，无色差。在流动通道底部的绝热材料9设置冲击孔8，冲击孔8旁设置热电偶7，冲击孔8与气源连接。

本发明采用与标定过程完全相同的喷涂参数和次数，将瞬态液晶3、黑漆4均匀喷涂在有机玻璃板11的下表面，以确保与标定中的黑漆4、瞬态液晶3的厚度一致。并在绝热材料9旁边布置一个秒表10，保证CCD相机1可以拍摄到秒表10，CCD相机1和冷光源2正对有机玻璃板11表面，采集系统12与CCD相机1相连，采集系统12用于采集图像和数据处理。

测量步骤2、打开采集系统12及数据采集程序，让数据采集程序处在监控的状态下，确认实验设备可以正常工作。打开气源，调节通过冲击孔8的流量，使整个系统的流动状态保持稳定，气流温度通过热电偶7来测量，并使整个系统在室温的状态下达到热平衡状态，即整个系统的温度不在随时间变化而发生改变。

打开数据采集程序通过热电偶7对气流温度进行采集；打开CCD相机1对瞬态液晶3图像进行录像。在某一时刻突然改变气流温度，使气流温度迅速升高到31℃以上。指示灯13同步亮起，并通过数据采集程序及热电偶7记录下温度随时间的变化数据T_c(τ_i)。

随着温度的提高，整个液晶表面3的颜色会发生变化，等整个表面的液晶变色完毕，关闭数据采集程序，输出保存文件。关闭CCD相机1，输出视频文件，实验完成。

完成实验后，要进行数据处理才能获得液晶表面的对流换热系数。首先用VirtualDub软件将实验中所采集的视频录像文件逐帧输出为图片序列，图片名称为0.jpeg，1.jpeg，……，n.jpeg，根据照片上的指示灯13对应的时间确定加热开始时刻所对应的照片序号i.jpeg。

按顺序逐张扫描照片中的实验区域内色度值5≤hue≤10所在的像素点的坐标(x,y)及对应的图片序号j.jpeg。如过在5≤hue≤10范围内有多张照片，只取第一张照片处理。由于相邻两张照片之间相隔0.04s，所以(j-i)×0.04即为照片所对应的加热后的时间，其中j为色度值刚好跨入5≤hue≤10区间的最后一张照片的编号。因此也就获得了实验区域内坐标(x,y)位置的T_w(τ_i)。

将步骤5至7所获得的数据带入下列公式中，便可以求得对流换热系数h。

式1中的n＝j-i，T_c(τ_i)为i时间的热电偶7采集的温度值；T₀为热平衡状态时热电偶7采集的温度值；

其中，ρ为气流密度，c为气流比热，λ为气流导热系数，该三个参数均为常量，可以测量。

对换热系数的h求解也就是对公式(1)和公式(2)的求解，但由于未知数β隐含在指数函数和误差函数中，无法直接求解出来，必须采用数值解法。常用的数值解法是牛顿迭代法，但根据需要求解的实际情况，如果采用迭代法，计算量非常巨大，并且收敛也会较困难。考虑到求解的并不是一个单纯的数学问题，而是一个物理问题的数学过程，所以将物理问题与数学问题结合起来考虑。定义函数f(β)如下：

未知数β是关于换热系数h的函数，根据经验，换热系数的范围是0≤h＜2000。则由公式可知，β的范围是0≤β＜3.546。因此，只需要在0～3.546区间内找到使f(β)最小时所对应的β值。求解程序采用了枚举法，Δβ＝0.001。求解方法带来的换热系数的误差为0.56w/m²·k，误差小于0.3％，满足精度的要求。程序的流程如图3所示。

利用本发明提出的理论模型和数据处理方法可以确定对流换热系数h。

上述CCD相机1采用每秒24帧的相机；光源2采用白色冷光源；瞬态液晶3的变色范围选用30℃～50℃，这个范围的液晶温度较低，不会使得实验过程中有机玻璃发生软化变形，同时这个温度略高于室温，会在温度升高过程中变色迅速，利于实验测量的准确。有机玻璃板11的厚度要在10mm～20mm之间，这样可以使得测量方法基于的一维非稳态导热的所推导出来的解析解准确，进而保证了测量结果的精确度。实验过程要低于60秒；气流温度要突然升高到30℃以上，并且升温时间要低于5秒，这样可以在节约实验成本的同时，降低实验测量误差。指示灯13要与气流温度改变同步。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，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。