[发明专利]基于局部压力测量二维流路内T-S波的方法

说明书

技术领域

本发明属于流动测试技术领域，涉及到一种基于局部压力测量二维流路内T-S波的新方法。

背景技术

具有不同壁面形状的二维流路作为反应器、换热器的基本单元，广泛地应用在能源、石油化工、生物化工和生物制药等领域。T-S波，是Tollmien-Schlichting wave的简称，它是当流动的雷诺数超过某一临界值时二维流路内产生的一种周期性的不稳定流动行为。当T-S波出现时，流路内的局部流速随时间呈现一种具有一定的振幅和频率的正弦波的形式。该频率称之为T-S波的自然频率。大量的研究表明，流路内的热量质量传递速率与T-S波的自然频率具有极为密切的关系；如果能够获得T-S波的自然频率，通过一定的技术手段在原流动上叠加一个与该自然频率相同或者相近的振动流动，可以使原来的热量质量传递速率得到成倍的提高，即可以获得所谓的共振传递强化效果。因此，通过实验测试的手段获得T-S波的自然频率对采用有效的技术强化热质传递过程具有重要的意义。

根据T-S波的性质，通常采用测量流路内局部流速、记录流速随时间的变化历程的方法来捕捉T-S波的频率及振幅。利用激光多普勒测速仪（LDV）可以完美地实现上述目的，是目前通用的方法。但是众所周知，LDV属于贵重的测试设备，其操作也较复杂，不具有普遍采用的可能性。此外有研究表明，当T-S波出现时，除了局部速度随时间呈周期性变化外，受其影响，壁面剪切应力也呈现出相似的行为，因此亦可以采用记录壁面剪切应力的时间历程的方法进而得到T-S波相关频率及振幅性质。但通常测量壁面剪切应力的方法也相对复杂，有研究采用电化学方法测量，需要配置电极、电化学溶液、标定电化学溶液的浓度及扩散系数、根据边界层理论推导由扩散电流计算壁面剪切应力的公示等，不易准确把握，实际应用也受到限制。

目前根据局部压力来得到T-S波进而得出其自然频率及振幅的实验测试方法几乎未见报道。根据已有相关研究，T-S波产生时的速度波动既然会引发壁面剪切应力产生趋势相同的波动，那么也必然会促发类似的流动参数如局部压力呈现出类似的行为。此为本发明的立足点。

发明内容

本发明提出一种利用压力传感器测量局部压力的时间历程、对得到的压力信号直接处理进而得到T-S波自然频率的方法。操作者只需在经过稳流处理的待测二维流路的特定位置安装指定类型的压力传感器便可以根据压力信号随时间的变化数据得到各阶T-S波的自然频率和振幅，该方法适合于所有二维流路的相关测量。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：将循环水泵和流量计连接到待测二维流路的循环系统中，建立自循环流动系统；

在二维流路壁面上安装压力传感器，压力传感器与壁面之间采用面接触，在接触面的中心钻孔直通流路内部，压力传感器与计算机数据采集系统相连。

设计二维流路的稳流入口，使得由测量系统管路进入到二维流路时的流道内的流体以15-20度渐变流的形式进入，经入口后形成稳定的充分发展流动。

步骤2：利用计算机数据采集系统记录局部压力在不同流动雷诺数下随时间变化的信号。当雷诺数增加到某临界值以上时会分别记录到1阶、2阶以至更高阶的周期性局部压力信号。

步骤3：由局部压力的时间历程处理得到T-S波的自然频率和振幅。通过数据处理得到的局部压力直观呈现T-S的周期性及频率和振幅特性。

本发明提供一种快速准确测量T-S波的新方法，可以在任意二维流路中完成从低阶到高阶T-S波的测量。所使用的相关设备都是成本低，推广方便，数据处理方法简单直观，容易掌握。

附图说明

图1是自循环流动系统示意图。

图2是局部压力测试系统示意图。

图3是以局部压力表示的T-S波。

图中：①离心泵；②旁路阀；③控制阀；④流量计；⑤二维流路；⑥溢流槽；⑦循环水槽；⑧压力传感器；⑨数据采集卡；⑩计算机；

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1

实施例中以图2所示的二维凹槽流路为例，搭建如图1所示的自循环流动系统。

  步骤1 安装压力传感器。将直径为8mm的压阻式压力传感器（量程0～100kPa）安装在钻好孔的凹槽流路⑤上，并连接好数据采集卡⑨上的信号回路，并接通供电的直流电源。

步骤2 启动离心泵①维持流动系统工作流体的循环；控制阀③控制进入测试段的流量；流量由电磁流量计④精确计量；测试段出口设溢流槽⑥以消除重力的影响。