[发明专利]一种在低气压下测量材料热适应系数的装置和方法

权利要求书

1.一种在低气压测量材料热适应性系数的装置，其特征在于：

包括两个结构相同、内径不同的腔室，

所述腔室包括导电细丝(5)、顶盖(14)、腔室壁(12)和底盖(15)，形成密封结构；所述腔室内设置有两个测温元件；

所述顶盖(14)上设置有管道(16)；

所述腔室壁(12)径向设置有第一至第四托杆，均延伸至腔室中心；托杆端头设置有套环；导电细丝(5)贯穿四个套环；

所述第一托杆和第四托杆中设置有导线；导线外部穿出腔室壁(12)连接到直流电源(11)，内部一端连接到导电细丝(5)；

所述第二托杆和第三托杆中设置有导线；导线外部一端连接到电压表(10)，内部一端连接到导电细丝(5)；

腔室壁(12)设置有压强表(9)；

所述测温元件、压强表(9)和电压表(10)均接入到计算机(18)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述导电细丝(5)的直径小于100μm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述顶盖(14)、底盖(15)与腔室壁(12)之间均设置有密封圈(13)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述两个测温元件，一个设置于导电细丝(5)上，另一个悬挂于腔室中。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述套环内径相同，内壁涂有绝缘涂层。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述托杆表面喷有绝缘涂层，仅导电细丝(5)与导线导通。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述管道(16)设置有阀门(17)。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述计算机用于采集温度、压强和电压值。

9.利用权利要求1-8任一项所述的装置低气压下测量材料热适应系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据稀薄气体动力学公式计算出达到自由分子区的特征点压力P₀：

公式中，Kn为克努森数，P为气体压力，λ为平均分子自由程，k_B为玻尔兹曼常数，D₁为细丝的直径，d为气体分子的直径，T_m，DF为计算Kn时的有效平均温度，该平均温度为导电细丝温度和环境温度的平均值，令Kn＝10求出气体达到自由分子区的特征点压力P₀；

(2)根据计算出的特征点压力P₀，使用泵对腔室抽真空，使腔室内气压达到P₀以下，处于自由分子区，此时的气压值记为P₁；

(3)使用DC直流电源向导电细丝通以阶跃电流，并记录阶跃时刻电压表初始值U₀，待电加热达到稳态后，测得电压表的稳定值U₁；

(4)根据U₀和U₁和其他的已知参数可以利用以下公式计算出自然对流换热系数h：

公式中，h为测量得到的自然对流换热系数，U₁为电压表记录达到新稳态后的电压稳态值，U₀为所述电压表获取阶跃电流的阶跃时刻对应的电压初始值，δ为导电细丝材料的电阻温度系数，Q为所述细丝通以阶跃电流峰值达到新稳态后的焦耳发热功率，L为细丝的长度，S为细丝横截面的周长，A为细丝横截面的面积，k_wire为细丝材料的热导率；

计算出在当前腔室内、当前气压下的对流换热系数h；

(5)根据以下公式：

公式中，D₁为细丝直径，D₂为柱形腔室内径，γ为气体的比热比，空气的比热比一般取1.40，T_m，DF为计算Kn时的有效平均温度，T_m，FM为自由分子区气体的有效平均温度；

当细丝温度和腔室内环境温度相近时，T_m，DF≈T_m，FM，即公式中的Nu_free与1/Kn正相关，且相关系数仅与两个热适应系数α₁、α₂有关，α₁为气体与导电细丝5间的热适应系数，α₂为气体与腔室内壁面间的热适应系数；

(6)根据计算得到的对流换热系数h，利用以下公式计算出自由分子区的努塞尔数Nu_free：

公式中，h为当前腔室内、当前气压下的对流换热系数，D₁为细丝直径，k_gas为气体的导热系数；

根据h计算出努塞尔数，气压P₁下的努塞尔数记为Nu_free，1

(7)根据以下公式求出当前气压下的克努森数倒数1/Kn：

公式中，k_B为玻尔兹曼常数，D₁为细丝的直径，d为气体分子的直径，空气的有效直径一般取0.35纳米，当细丝温升很小时，T_m，DF为细丝温度和环境温度的平均值，气压P₁下计算出的结果记为1/Kn₁；

(8)多次改变腔室内气压，重复步骤(2)～步骤(7)，在气压P₁～P_n下对流换热系数h发生变化，不同的h对应着不同的努塞尔数Nu_free，最终得到多组数据(Nu_free，1，1/Kn₁)～(Nu_free，n，1/Kn_n)；

(9)将相同的细丝材料固定在不同内径的另一个腔室中重复以上所有步骤，得到不同D₂下的另一组{(Nu_free，1/Kn)}数据；

(10)根据以下公式，利用{(Nu_free，1/Kn)}数据可以绘制出努塞尔数Nu_free关于克努森数倒数1/Kn的关系线：

内径为D_2窄和D_2宽的两个腔室内实验可以获得两组数据{(Nu_free，窄，1/Kn_窄)}和{(Nu_free，宽，1/Kn_宽)}，以得到不同斜率的两条关系线，记两条关系线的斜率分别为k_窄和k_宽，由于细丝温升足够小，那么斜率k_窄和k_宽写成如下形式：

求出方程解α₁和α₂：

即得到气体与细丝表面间的换热系数α₁和气体与腔室内壁面间的换热系数α₂。