基于圆箔热流计的对流热流测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于对流热流测量技术领域，特别涉及一种基于圆箔热流计的对流热流测 量方法。
【背景技术】
[0002] 热量传递是一种普遍存在的物理现象，作为一个基本的热物理量，热流密度的测 量在工业技术、健康环境等各领域受到广泛关注。圆箔热流计是一种应用大热流测量的热 流传感器，具有结构稳定、测量量程大等优点，在燃烧室、火灾实验等领域中被广泛应用。圆 箔式热流计最早由Robert Gardon发明，现在已成为一款发展成熟的商用热流传感器，美国 Medtherm、Vatell等公司都是圆箔式热流计的著名生产商。
[0003] 圆箔热流计（也称之为Gardon热流计）的选型主要根据厂家提供的传感器参数， 例如测量灵敏度、时间常数等。圆箔热流计的灵敏度在数值上等于稳态条件下的传感器输 出电动势与测量热流的比值，因此基于灵敏度参数，根据传感器的输出电动势，可以获得热 流密度，这是商用圆箔热流计测量输出的基本原理。现有商用的圆箔热流计主要应用于辐 射热流的测量，其灵敏度参数通过计算获得或是通过辐射源定标获得。
[0004] 然而圆箔热流计应用于对流环境热流测量时，却存在很大的局限性：（1)通用测 量方法的灵敏度参数是针对于辐射热流条件下获得的，对于对流热流测量而言，测量结果 会存在很大的误差；（2)如果对对流热流测量结果进行校准，往往需要知晓对流换热系数， 这会限制热流传感器在未知对流环境下的实际应用。
【发明内容】
[0005] 基于上述问题，本发明提供一种基于圆箔热流计的对流热流测量方法，不改变圆 箔热流计硬件结构和使用条件，在未知对流热换系数的情况下，实现对流热流的精确测量。
[0006] 针对上述目的，本发明提供一种基于圆箔热流计的对流热流测量方法，其特征在 于，包括：
[0007] 建立圆箔热流计的对流热流测量数学模型，获得所述圆箔热流计的圆箔片温度分 布函数；
[0008] 建立所述圆箔热流计的圆箔片中心温度与所述圆箔热流计的输出电动势的关联 函数；
[0009] 测量所述圆箔热流计的输出电动势，基于所述圆箔片的温度分布函数和所述圆箔 片中心温度与所述圆箔热流计的输出电动势的关联函数，计算所述圆箔热流计测量的平均 对流热流密度。
[0010] 其中，所述圆箔热流计的对流热流测量数学模型通过热量传递守恒方程建立。
[0011] 其中，所述建立所述圆箔热流计的对流热流测量数学模型，获得所述圆箔热流计 的圆箔片温度分布函数，具体包括：
[0012] 建立所述圆箔热流计的对流热流测量数学模型；
[0013] 求解所述数学模型，得到所述圆箔热流计的圆箔片温度分布函数：
[0014] T(r)-T0= (Too-T0) [l-I0(m,r)/I0(m,R)]
[0015] 其中，Ici为0阶修正的bessel函数；R为所述圆箔片的半径；T00为所述圆箔热流计 测量热环境的来流温度；Ttl为所述圆箔热流计的热沉体温度；r为半径位置变量；m ξ为组合 物性参数，且πιξ= (h/ξ λ δ) 1/2, ξ是根据所述圆箔片的测点中心温度确定的常数；h为 测量热环境与所述圆箔片表面间的对流换热系数，δ为所述圆箔片厚度，λ为所述圆箔片 的导热系数。
[0016] 其中，所述圆箔热流计的圆箔片中心温度与所述圆箔热流计的输出电动势的关联 函数具体为：
[0017] E = kAT(l+gAT)
[0018] 其中，AT = Te-TtlJe为所述圆箔片中心温度；E为所述圆箔热流计的输出电动势； k为热电偶电动势的输出系数；g为热电偶电动势的输出系数的非线性修正项。
[0019] 其中，所述测量所述圆箔热流计的输出电动势，基于所述圆箔片的温度分布函数 和所述圆箔片中心温度与所述圆箔热流计的输出电动势的关联函数，计算所述圆箔热流计 测量的对流热流密度，具体包括：
[0020] 采集所述圆箔热流计的输出电动势E ;
[0021] 通过所述圆箔热流计的圆箔片中心温度与所述圆箔热流计的输出电动势的关联 函数，得到所述圆箔片中心温度；
[0022] 基于上述圆箔片中心温度，根据所述圆箔片温度分布函数，计算组合物性参数Hk的值，并根据所述组合物性参数Hk的值，计算所述对流热换系数h的值；
[0023] 根据所述组合物性参数&的值和所述对流换热系数h的值，得到所述圆箔片对流 热流密度。
[0024] 其中，所述根据所述组合物性参数Hk的值和所述对流换热系数h的值，得到所述 圆箔片对流热流密度，具体为：
[0025] 建立圆箔片表面的平均对流热流密度函数：
[0026]
[0027] 其中，Δ T = Tc-T。，1 阶修正的 bessel 函数；
[0028] 根据所述组合物性参数化的值与所述对流换热系数h的值，基于所述平均对流热 流密度函数，计算所述平均对流热流密度q。
[0029] 本发明的基于圆箔热流计的对流热流测量方法，在未知对流热换系数的情况下， 实现对流热流的精确测量，解决了商用圆箔热流计无法更好地应用于对流热流测量的技术 局限性。此外，本发明在不改变圆箔热流计硬件结构和使用条件的前提下，实现了对流热流 的测量，测量方法简单可行，为圆箔热流计应用于对流热流的高精度测量提供了重要的技 术指导，具有非常好的应用前景。
【附图说明】
[0030] 图1示出了本发明的基于圆箔热流计的对流热流测量方法的流程图。
[0031] 图2示出了本发明的基于圆箔热流计的对流热流测量方法的步骤S3的具体流程 图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0033] 本发明的一个实施例提供了一种基于圆箔热流计的对流热流测量方法。
[0034] 图1示出了本发明的基于圆箔热流计的对流热流测量方法的流程图。
[0035] 参照图1，本发明的基于圆箔热流计的对流热流测量方法，具体包括：
[0036] S1、建立圆箔热流计的对流热流测量数学模型，获得所述圆箔热流计的圆箔片温 度分布函数。
[0037] 本实施例中，在对流换热环境下，圆箔热流计的圆箔片温度分布是环境热对流传 热、圆箔片内部热传导共同作用的结果，满足热量传递守恒方程，称之为热流测量的数学模 型。
[0038] 通过分析对流换热条件下的圆箔片稳态热量传递守恒方程，求解获得热流计圆箔 片上的任一半径位置r的温度解析函数，即圆箔片温度分布函数为：
[0039] T (r)-T0= (T " -T0) [l-I0 (m4r)/I0 (m4R)]
[0040] 其中，Ici为0阶修正的bessel函数；R为所述圆箔片的半径；T "为所述圆箔热流 计测量热环境的来流温度，为已知值；Ttl为所述圆箔热流计的热沉体温度，为已知值；r为 半径位置变量;1^为组合物性参数，且πιξ= (h/ξ λ δ) 1/2, ξ是根据所述圆箔片的测