第09講瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)熱流的測(cè)量鄧4學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)傳熱學(xué)瞬態(tài)熱流的測(cè)量概述問(wèn)題的提出：導(dǎo)彈再入，返回穿過(guò)大氣的實(shí)驗(yàn)?zāi)M如何做？ （高溫、高馬赫數(shù)） 穩(wěn)態(tài)測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，選擇瞬態(tài)測(cè)量 瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)的熱流怎么測(cè)？ 薄膜熱流計(jì)的出現(xiàn)熱流計(jì)的本質(zhì)金屬電阻隨溫度的變化關(guān)系概述薄膜熱流計(jì)兩種：一是單膜熱流計(jì)，二是雙膜熱流計(jì)。

單膜熱流計(jì)就是在滿(mǎn)足半無(wú)限厚假設(shè)的絕緣底襯表面上，制作一金屬膜，在金屬膜兩端焊出引線(xiàn)，構(gòu)成一單膜熱流計(jì)。使用時(shí)，將熱流計(jì)鑲嵌在被測(cè)物體的表面，用金屬膜感受表面溫度的變化，并記錄表面溫度與時(shí)間的相互關(guān)系。

雙膜熱流計(jì)是在絕緣底襯的兩側(cè)分別制作金屬膜，優(yōu)點(diǎn)是克服了單膜熱流計(jì)中半無(wú)限厚的限制。

測(cè)瞬態(tài)熱流的基本原理：把金屬膜測(cè)得的被測(cè)表面溫度與時(shí)間的相關(guān)關(guān)系作為已知條件（邊界條件），求解半無(wú)限厚材料的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程，從而獲得被測(cè)物體表面熱流。單膜熱流計(jì)模型單膜熱流計(jì)模型

控制方程：

IC：

BC：?jiǎn)文崃饔?jì)模型

取過(guò)余溫度

IC：

BC：?jiǎn)文崃饔?jì)模型

這組控制方程的解，通過(guò)Laplace變換，消去了控制方程中對(duì)時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)，得到控制方程的通解和特解，由于金屬膜很薄，并且導(dǎo)熱系數(shù)較大，忽略金屬膜，令δ=0，得到 對(duì)上式反Laplace變換，得到或或單膜熱流計(jì)模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中記錄的膜表面溫度Ts和時(shí)間τ的關(guān)系曲線(xiàn)，可轉(zhuǎn)換為表面溫度變化率 與時(shí)間的關(guān)系，然在0~τ時(shí)間域內(nèi)積分，便可得在時(shí)刻τ的表面熱流。

注意：導(dǎo)數(shù)項(xiàng)在數(shù)據(jù)處理中要小心， 因?yàn)闇y(cè)量噪音的干擾，會(huì)使Ts~τ

的曲線(xiàn)不光滑，如圖所示使的 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離真實(shí)值，甚至正負(fù)號(hào) 都可能改變，這種誤差不能容忍。單膜熱流計(jì)模型

解決方法：將 做變換

令 則

另外， 則單膜熱流計(jì)模型

將上式代入 得

這就是目前廣泛使用的單膜熱流計(jì)計(jì)算表面熱流的實(shí)用公式。

剛才的推導(dǎo)中作了δ=0的假設(shè)，是否會(huì)引起很大的誤差呢？單膜熱流計(jì)的半無(wú)限厚假設(shè)上面的分析是在半無(wú)限厚的假設(shè)下進(jìn)行的，實(shí)際情況可能比非如此，因此必須確定單膜熱流計(jì)的實(shí)用厚度。 對(duì)表面施加階躍熱流（熱脈沖）， 經(jīng)過(guò)拉氏變換及反變換，解為 則 因此，對(duì)給定的單膜熱流計(jì)測(cè)量工況，只有測(cè)試時(shí)間小于最大允許的測(cè)量時(shí)間 ，單膜熱流計(jì)才能認(rèn)為是半無(wú)限厚的。單膜熱流計(jì)的靈敏度單膜熱流計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)薄膜電阻溫度計(jì)。在一定溫度范圍內(nèi)，通常可將金屬的電阻值表示為溫度的線(xiàn)性函數(shù)。 根據(jù)上式可得 左邊上下乘以通過(guò)的電流得 只有單位面積金屬膜耗功相等的條件下，比較金屬膜測(cè)溫靈敏度才是合理的，則 。電阻溫度系數(shù)單膜熱流計(jì)的靈敏度以下是不同文獻(xiàn)中不同金屬的 值。單膜熱流計(jì)的結(jié)構(gòu)、標(biāo)定及數(shù)據(jù)處理單膜熱流計(jì)的結(jié)構(gòu)單膜熱流計(jì)的結(jié)構(gòu)、標(biāo)定及數(shù)據(jù)處理單膜熱流計(jì)的標(biāo)定單膜熱流計(jì)的結(jié)構(gòu)、標(biāo)定及數(shù)據(jù)處理單膜熱流計(jì)的數(shù)據(jù)處理數(shù)值計(jì)算方法網(wǎng)絡(luò)模擬方法雙膜熱流計(jì)的工作原理出現(xiàn)背景：

單膜熱流計(jì)的使用廣泛，但單膜熱流計(jì)明顯的缺點(diǎn)： 一是一維半無(wú)限厚假設(shè)難以保證，因?yàn)?D與半無(wú)限存在矛盾，所以在使用上受到限制； 二是大部分單膜熱流計(jì)會(huì)破壞傳熱材料的連續(xù)性。

雙膜熱流計(jì)則是在底襯材料的兩側(cè)分別鍍上金屬膜，特點(diǎn)是不但可測(cè)穩(wěn)態(tài)熱流，而且可測(cè)熱流分布的時(shí)間歷史，即換熱系數(shù)分布與時(shí)間的相關(guān)關(guān)系。雙膜熱流計(jì)的工作原理雙膜熱流計(jì)的理論分析（圖9-20）

上、下金屬膜0.14-0.25μm， 上、下引線(xiàn)膜，絕緣底襯尼龍膜25μm。雙膜熱流計(jì)的工作原理

可以把雙膜熱流計(jì)視為一維平板來(lái)處理：

IC：

BC： 取過(guò)余溫度 ，經(jīng)過(guò)laplace正變換和反變換，解得：雙膜熱流計(jì)的工作原理

m=1,3,5,7,……；n=2,4,6,8…..，

這樣當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得熱流計(jì)上下兩個(gè)表面上的溫度-時(shí)間相互關(guān)系后，便可根據(jù)上式得到表面熱流。對(duì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的處理仍然同單膜熱流計(jì)。雙膜熱流計(jì)的工作原理

為延長(zhǎng)熱流計(jì)的使用壽命和 抗熱氣流沖刷，有時(shí)在金屬 膜的外表面還噴鍍一層極薄 的保護(hù)膜，這種熱流計(jì)有六 層結(jié)構(gòu)。 因?yàn)榻饘倌ず鼙。?/p>