[发明专利]基于圆箔热流计的对流热流测量方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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：

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；

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；

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。

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。

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：

建立所述圆箔热流计的对流热流测量数学模型；

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：

T(r)-T₀＝(T_∞-T₀)[1-I₀(m_ξr)/I₀(m_ξR)]

其中，I₀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；T₀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m_ξ＝(h/ξλδ)^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。

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：

E＝kΔT(1+gΔT)

其中，ΔT＝T_c-T₀；T_c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。

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：

采集所述圆箔热流计的输出电动势E；

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；

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m_ξ的值，并根据所述组合物性参数m_ξ的值，计算所述对流热换系数h的值；

根据所述组合物性参数m_ξ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。