[发明专利]评估微小尺度管道内流动转捩点的装置及方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及流动换热技术领域，特别是一种评估微小尺度管道内流动转捩点的装置及方法。

背景技术

在航空航天、核反应堆、空调、制冷等领域，为了提高换热效率，一般采用紧凑式换热器。紧凑式换热器的结构特点是流道特征尺度较小，一般为毫米或微米量级,属于微小尺度。研究结果表明,针对大尺度结构提出的管内流动传热计算式不适用于微小尺度通道，其原因是微小尺度通道内的流动状态及传热机理与大尺度管道内情况有所不同。为了科学、准确的设计紧凑式换热器，必须对微小尺度管道中的传热特性进行研究。

研究结果表明，管道内的流动状态对微小尺度管道内的传热特性有着显著的影响，湍流状态下的传热机制与层流状态下的传热机制存在本质差别，所以准确判断微小通道内的流动状态是准确评估传热性能的关键。然而，由于微小尺度管道的几何尺寸较小，研究中无法通过开窗观测直接获得管道内流动状态，即无法准确获得管内流动状态转捩点。目前研究和工程设计中仍然采用之前的经验值，即认为雷诺数低于2300时流动为层流，2300～10000时为过渡流，高于10000时为旺盛湍流。则转捩点对应的雷诺数范围为2300～10000，转捩点对应的范围太大，使得工程设计中无法准确预估管内流动状态，导致紧凑式换热器的设计不够精确，设计和调整周期长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种评估微小尺度管道内流动转捩点的装置，该评估微小尺度管道内流动转捩点的装置根能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。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种评估微小尺度管道内流动转捩点的装置，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；流体储存箱的出口通过流体输送管与预热管的入口相连接，高压氮气能将流体储存箱内的流体通过流体输送管输送至预热管内。

实验管的入口通过多路阀一与预热管的出口相连接。

预热管和实验管均由不锈钢材料制作形成。

电加热系统包括电加热器一和电加热器二；其中，电加热器一用于预热管的加热，电加热器二用于实验管的加热；电加热器一和电加热器二均采用直流加热方式。

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，入口流体温度传感器设置在多路阀一的其中一路通道上，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。

还包括热交换器、背压阀和回收罐；测控系统还包括压力传感器；热交换器的入口与实验管的出口通过冷却管相连接，热交换器的出口通过回收管与回收罐相连接；背压阀设置在回收管上，实验管的入口和实验管的出口各设置一个压力传感器。

每个壁面温度传感器均为欧米茄K型壁面热电偶；入口流体温度传感器为铠装K型热电偶。