采用热脉冲技术测量液流流速的液流模拟装置的制作方法

本实用新型涉及热力交换技术，尤其涉及换热系数的测量装置。

背景技术：

热脉冲测量技术，是将热量作为示踪材料(即对测量对象探针进行供热)，使用热电偶检测探针温度变化，通过理论分析建立传热模型，拟合期望得到的参数如流速、热导率等与温度变化之间的关系式，最终达到能精确计算所求参数的目的。

目前，热脉冲技术主要用于测量植物液流和土壤液流的流量、流速等参数。

热脉冲技术测量液流参数，基于对流换热原理。对流换热原理中，换热系数h是其中的一个重要参量，它决定了测量的精确程度。而边界层表面的几何形状是影响换热系数h的重要因素，边界层表面的几何形状不同，换热系数h不同。因此探针形状是影响换热系数h的重要因素。

目前，利用热脉冲技术的研究中，所用探针均为圆柱形，分为单针和多针，还没有涉及探针形状的研究。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种采用热脉冲技术测量液流流速的液流模拟装置，其能够通过改变液流形成部分支撑板4倾角模拟不同液流流速，从刻度上即可读出流速值，简单易行；并且可得到不同形状探针对换热系数h的影响，进而依据不同工程领域中液流流速范围，选用合适形状探针进行研究，保证测量的精确度。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采用热脉冲技术测量液流流速的液流模拟装置，包括水槽15、水槽支撑架底座、水槽支撑架板面，其中，

所述水槽支撑架底座包括水槽支撑架底板1、短竖直板2和长竖直板10，其中，水槽支撑架底板1水平布置，短竖直板2和长竖直板10竖直布置在水槽支撑架底板1两侧，所述水槽支撑架底板1与短竖直板2的下端之间、水槽支撑架底板1与长竖直板10的下端之间分别通过第一三角连接块61固定连接，形成“凵”形结构的水槽支撑架底座；

水槽支撑架板面包括液流形成部分支撑板4、支撑板连接板7和储液部分支撑板9，其中，液流形成部分支撑板4的内端与支撑板连接板7的上端通过第二三角连接块62固定连接，支撑板连接板7的下端通过第三三角连接块63与储液部分支撑板9的内端固定连接，形成阶梯结构的水槽支撑架板面；

液流形成部分支撑板4的外端通过第一活页连接件11与短竖直板2的上端活动连接，储液部分支撑板9的外端通过第二活页连接件14和调整螺钉12与长竖直板10活动连接；

液流形成部分支撑板4的内端比外端高，液流形成部分支撑板4与水平面之间具有倾角α；

水槽15包括水槽液流形成部分3和水槽储液部分8；所述水槽15布置在水槽支撑架板面的液流形成部分支撑板4和储液部分支撑板9上，其中，位于液流形成部分支撑板4上的为水槽液流形成部分3，位于储液部分支撑板9上的为水槽储液部分8，水槽15的水槽液流形成部分3靠近短竖直板2的一端设有出液口；

在水槽液流形成部分3的上表面中部区域设有探针安装板51，该探针安装板51中部设有具有内螺纹的固定孔，探针52上端设有与探针安装板51的固定孔的内螺纹相配合的外螺纹，通过所述固定孔将探针51垂直于液流形成部分支撑板4固定。

水槽支撑架底板1、短竖直板2、液流形成部分支撑板4、储液部分支撑板9和长竖直板10为轻质防锈的合金板。

第一三角连接块61、第二三角连接块62、第三三角连接块63、第一活页连接件11、第二活页连接件14和调整螺钉12的材料为防锈材料。

探针安装板51为绝热的亚克力板。

本实用新型的有益效果在于：

换热系数h是热脉冲技术中的一个重要参量，不同形状探针会影响换热系数的大小，进而影响液流流速测量的精确度。所以需要一种装置，使用圆柱形、长方体形、圆锥形等不同形状探针进行试验，研究它们对换热系数的影响，通过比较选出合适形状的探针，便于液流流速的精确测量。

本实用新型提供采用热脉冲技术测量液流流速的液流模拟装置，并设定不同形状的探针，通过实验研究不同形状探针对换热系数的影响，进而拟合出不同换热系数与流速之间表达式，最终通过比较选出最优形状探针。

1、本实用新型通过改变液流形成部分支撑板4的倾角，模拟不同液流流速，从刻度上即可读出流速值，简单易行。

2、现有的热脉冲技术中探针均使用圆柱形，测量精确度需要提高。本实用新型提供的装置可得到不同形状探针对换热系数h的影响，进而依据不同工程领域中液流流速范围，选用合适形状探针进行研究，保证测量的精确度。

附图说明

图1为本实用新型的采用热脉冲技术测量液流流速的液流模拟装置的结构示意图；

图2为探针52的形状示意图；

图3为探针安装板51的示意图。

附图标记：

1、水槽支撑架底板 2、短竖直板

3、水槽液流形成部分 4、液流形成部分支撑板

51、探针安装板 52、探针

61、第一三角连接块

62、第二三角连接块 63、第三三角连接块

7、支撑板连接板 8、水槽储液部分

9、储液部分支撑板 10、长竖直板

11、第一活页连接件 12、调整螺钉

13、流速刻度

14、第二活页连接件 15水槽

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

由图1-3所示，本实用新型的一种采用热脉冲技术测量液流流速的液流模拟装置包括水槽15、水槽支撑架底座、水槽支撑架板面。

其中，水槽支撑架底座包括水槽支撑架底板1、短竖直板2和长竖直板10，水槽支撑架底板1水平布置，短竖直板2和长竖直板10竖直布置在水槽支撑架底板1两侧，所述水槽支撑架底板1与短竖直板2的下端之间、水槽支撑架底板1与长竖直板10的下端之间分别通过第一三角连接块61固定连接，形成“凵”形结构的水槽支撑架底座。

水槽支撑架板面包括液流形成部分支撑板4、支撑板连接板7和储液部分支撑板9，其中，液流形成部分支撑板4的内端与支撑板连接板7的上端通过第二三角连接块62固定连接，支撑板连接板7的下端通过第三三角连接块63与储液部分支撑板9的内端固定连接，形成阶梯结构的水槽支撑架板面。

液流形成部分支撑板4的外端通过第一活页连接件11与短竖直板2的上端活动连接，储液部分支撑板9的外端通过第二活页连接件14和调整螺钉12与长竖直板10活动连接。

液流形成部分支撑板4的内端比外端高，液流形成部分支撑板4与水平面之间具有倾角α。通过调整螺钉12调节第二活页连接件14在长竖直板10的高度，可以调节液流形成部分支撑板4与水平面之间的倾角α。

水槽支撑架底板1、短竖直板2、液流形成部分支撑板4、储液部分支撑板9和长竖直板10为轻质防锈的合金板。

第一三角连接块61、第二三角连接块62、第三三角连接块63、第一活页连接件11、第二活页连接件14和调整螺钉12的材料为防锈材料。

水槽15包括水槽液流形成部分3和水槽储液部分8。所述水槽15布置在水槽支撑架板面的液流形成部分支撑板4和储液部分支撑板9上。其中，位于液流形成部分支撑板4上的为水槽液流形成部分3，位于储液部分支撑板9上的为水槽储液部分8。水槽15的水槽液流形成部分3靠近短竖直板2的一端设有出液口。

将液体加入水槽储液部分8，液体从水槽储液部分8溢出到水槽液流形成部分3，从水槽15的出液口流出，形成一定速度的液流。

在水槽液流形成部分3的上表面中部区域设有探针安装板51，如图3所示，该探针安装板51中部设有具有内螺纹的固定孔，探针安装板51为绝热的亚克力板。探针52上端设有与探针安装板51的固定孔的内螺纹相配合的外螺纹，通过所述固定孔将探针51垂直于液流形成部分支撑板4固定。

在控制液流量相同的情况下，不同的板面倾角使液体受到的沿板面方向的重力分力大小不同而速度不同。将液体加入水槽储液部分8，液体从水槽储液部分8溢出到水槽液流形成部分3，从水槽末端的出液口流出，形成一定速度的液流。保证沿板面方向液流的初速度为0。

改变液流形成部分支撑板4与水平面之间的倾角α可以获得不同流速的液流。所述倾角α可以连续不间断改变，以得到连续不间断的液流流速。

为了在实验时方便快速地得到液流速，本装置在长竖直板10上设有流速刻度13。该流速刻度13由实验标定，实验时液体流量一定，通过调整螺钉12调节第二活页连接件14在长竖直板10的高度使水槽支撑架板面处于不同的倾角α，分别测得流速，在相应高度上标出流速刻度。

下面以圆柱形探针为例，说明本实用新型的工作过程。

1、调节调整螺钉12，使水槽支撑架板面固定在某一倾角α，以得到一定液流流速，读出刻度流速值u；

2、将圆柱形探针52垂直水流插入探针安装板51，注意粘有热电偶一面正对液流流动方向；

3、开关闭合，探针52开始加热，继电器控制加热时间，采集卡将采集到的随时间变化的探针温度数据传入电脑，保存数据；

4、将测量出的温度数据进行曲线拟合，得到h值；

其中，拟合依据公式

式中，h为对流换热系数(W/cm²·K)，T是探针在瞬态过程中时刻的温度(K)，Tω是对流流体的温度(K)，C是探针的热容(J/K)，T0就是积分开始时间点的探针温度，即探针达到的最大温度值；

5、改变液流形成部分支撑板4的倾角，重复步骤3、4；得到不同流速u下的h值；

6、通过建立不同的h(u)与u的模型，如线性模型、凹函数模型等，将得到的数据拟合成一定关系的曲线，得到表达式；

7、换用圆锥形、长方体形的探针52，重复步骤2、3、4、5、6，比较三条曲线，选出合适形状的探针。

其中，以圆柱形探针为例，通过试验，发现u与h呈线性关系：

关系式如下：

h/C＝1.383u+0.119

其中，h为对流换热系数(W/cm²·K)，u为水流速(cm/s)，C为探针热容(J/K)。