[发明专利]评估微小尺度管道内流动转捩点的装置及方法

摘要

本发明公开了一种评估微小尺度管道内流动转捩点的装置及方法，包括流体供应系统、预热管、实验管、电加热系统和测控系统。流体供应系统包括流体储存箱和高压氮气；预热管和实验管均为不锈钢材料，电加热系统采用直流电加热方式；测控系统包括流量计、入口流体温度传感器和若干个壁面温度传感器；流量计设置在流体输送管上，若干个壁面温度传感器均设置在实验管的外壁面上，且沿实验管内流体的流动方向依次布设。本发明能根据层流和湍流状态下，微小尺度管道内传热特性的显著差异，准确推断出不同尺度管道内的流动状态转捩点，且转捩点对应的雷诺数范围窄，能为工程设计提供科学依据，能有效提高紧凑式换热器的设计精度，缩短设计周期。

主权项

1.一种评估微小尺度管道内流动转捩点的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，壁面温度传感器安装及位置记录：实验管的外壁面从入口端开始，沿流体流程依次设置若干个测量点，每个测量点安装一个壁面温度传感器；同时，以实验管入口端点为零点，依次记录每个测量点的位置，也即记录每个壁面温度传感器至入口端的距离值；当壁面温度传感器与入口端的距离值为x时，则该壁面温度传感器所测得的实验管局部外壁温度记为T_wo,x；步骤2，计算实验管热导率λ_s：通过线性拟合，得出实验管的热导率与实验管局部外壁温度的函数关系为：λ_s＝0.01475×T_wo,x+14.825   (1.1)步骤3，计算实验管电阻率ρ_x：实验管电阻率ρ_x是指实验管在与入口端的距离值为x处时的电阻率；通过对实验管在不同温度下的电阻率进行标定，得出实验管电阻率ρ_x与实验管局部外壁温度的函数关系如下：ρ_x＝‑2.446×10^‑7×T_wo,x²+6.9792×10^‑4×T_wo,x+0.79738   (1.2)步骤4，计算局部散失热流密度q_loss,x：散失热流密度q_loss,x是指实验管在与入口端的距离值为x处时的散失热流密度；通过对实验管在不同温度下的局部散失热流密度q_loss,x进行标定，得出局部散失热流密度q_loss,x与实验管局部外壁温度的函数关系如下：q_loss,x＝0.0214×T_wo,x²+6.1988×T_wo,x   (1.4)步骤5，计算局部热流密度q_x：局部热流密度q_x是指实验管在与入口端的距离值为x处时的热流密度；将步骤3计算的实验管电阻率ρ_x以及步骤4计算的局部散失热流密度q_loss,x，代入如下计算公式，得出局部热流密度q_x：式中，I为流经实验管的电流；d_i为实验管内径；d_o为实验管外径；步骤6，计算实验管的体积热源将步骤3计算的实验管电阻率ρ_x，代入如下计算公式，得出实验管的体积热源为：式中，I为流经实验管的电流；d_i为实验管内径；d_o为实验管外径；步骤7，计算实验管内壁温度T_wi,x：实验管内壁温度T_wi,x是指在与入口端的距离值为x处时的实验管内壁温度；将步骤2计算的实验管热导率λ_s、步骤4计算的局部散失热流密度q_loss,x以及步骤6计算的体积热源代入如下计算公式，得出实验管内壁温度T_wi,x：步骤8，计算局部流体温度T_b,x：局部流体温度T_b,x是指在与入口端的距离值为x处时，实验管内的流体温度；局部流体温度T_b,x满足如下计算公式：式中，H_in为实验管入口处的流体焓值；L₁为实验管入口到第一个测量点间的距离；L为两个相邻测量点之间的距离；为流体流量；T_wr,1为第一个测量点处的平均外壁温；ρ(T_wr,1)为T_wr,1温度所对应的实验管电阻率；q_loss(T_wr,1)为T_wr,1温度所对应的局部散热密度；T_wr,i为i个测量点处的平均外壁温；ρ(T_wr,i)为T_wr,i温度所对应的实验管电阻率；q_loss(T_wr,i)为T_wr,i温度所对应的局部散热密度；同时，T_wr,1和T_wr,i满足如下关系式：i＝1时,i>1时,其中，T_win为测试得到的实验管入口处的流体温度；T_wo,1为第1个测量点的第i‑1个测量点的外壁温；T_wo,i‑1为T_wo,i为第i个测量点的外壁温；步骤9，计算局部传热系数h_x：将步骤5计算的局部热流密度q_x、步骤7计算的实验管内壁温度T_wi,x以及步骤8计算的局部流体温度T_b,x代入下式，得出实验管在与入口端的距离值为x处时的局部传热系数h_x；步骤10，绘制壁面温度和局部传热系数分布图：首先使实验管的入口流量和实验压力达到目标值，接着开启电加热器一，使实验管入口温度达到设定值，再接着，开启电加热器二，电加热器二用于实验管的加热，使电热器二的加热电流达到设定值，待系统稳定后，记录工况参数和设定时间内实验管的入口流体温度以及实验管壁面上各个测量点所测量的壁面温度；然后，根据各个测量点记录的壁面温度以及步骤9中公式，计算出各个测量点的局部传热系数；最后，以各个测量点的位置为横坐标，以各个测量点的壁面温度和局部传热系数为纵坐标或双纵坐标，绘制壁面温度和局部传热系数分布图；步骤11，寻找转捩点：从步骤10绘制的壁面温度和局部传热系数分布图中寻找出流动状态转变点；流动状态转捩点的寻找条件为：在流动状态转变点处，局部传热系数快速减小，壁面温度快速上升；流动状态转变点后，局部传热系数快速增加，壁面温度快速减小；流动状态转变点即为转捩点；步骤12，计算转捩点对应雷诺数：根据如下计算公式求得转捩点雷诺数R_e；式中，l为特征长度，且等于实验管内径d_i；ρ为实验管内流体密度；μ为实验管内动力粘度；u为实验管内流体速度；其中，ρ和μ的查找方法为：先由步骤8求得的转捩点处流体温度以及压力传感器测得的实验管内流体压力，然后，根据对应流体在一定温度、压力下的流体热物性，即可查表得出；实验管内流体速度u则由实验管内流体密度ρ和流体流量关系计算得出。