应用热敏液晶的瞬态传热实验误差分析.doc

中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号：123233应用热敏液晶的瞬态传热实验误差分析邢云绯 张新宇（中国科学院力学研究所，100190，北京市北四环西路15号）(Tel: Email: )摘要：本文详细介绍了热敏液晶技术的原理及发展，提出了应用热敏液晶技术的冲击射流瞬态传热实验方法，对瞬态热敏液晶在二维表面的误差系数分析方法进行了详细的介绍，分析了参考温度、液晶显色时间及对流换热系数值对误差系数的影响。关键字： 冲击射流 对流换热 热敏液晶 误差1 引言传热实验研究中，对物体表面温度场的测量可以分为接触式和非接触式测量两种。接触式测量中惯常采用热电偶技术，但其单点接触式测量，不宜用于全场温度测量。红外测温技术属于非接触式测量方法，可以获取物体表面的温度分布信息，但测试仪器价格昂贵, 实验条件苛刻，且只适用于特定物体材质。液晶测温技术是近年来在国外出现的一种以不同颜色显示全场温度分布的测量技术，属于非接触式测量，能够提供较高的精度和分辨率。热敏液晶（TLC）具有层状、扭曲型的分子结构，因而有很强的旋光性和圆二向色性1。其中圆二向色性使得白光照射到液晶能分成旋向相反的2 束圆偏振光，1 束反射光，1 束透射光。其中被反射的光波频率与分子层间距有关。当温度变化造成分子层间距改变时, 液晶所选择的反射光波频率也随之变化, 从而呈现出一系列的色彩变化。某种颜色都与一定的温度相对应, 根据所呈现的颜色, 就能准确地测定出物体的温度2。常用的液晶测温就是利用热敏液晶这一特性，采用CCD 相机成像、彩色图像处理技术，精确得到液晶的颜色和温度之间的数量关系，从而获得热敏液晶的标定曲线，实现对物体表面温度场的定量测量。 2 实验方法图1 显示了实验系统图。真空泵用来产生实验段所需要的气流，气流在常温常压下通过过滤器和加热器进入稳压室。这里，加热器可以在0.3秒内，将气流加热到100 。气流通过稳压室之后，进入了实验模型之中。这个模型包括射流板，冲击板，和横板。整个实验段，设置了多个测压装置，具体位置如图2所示。这里冲击板是有机玻璃制成，因为其较低的热传导性而且满足了测量的光学要求。目标板是通过外置的CCD摄像机来记录影像的。气流通过射流板上的射流孔冲击到冲击板上，达到对流换热的效果之后沿一侧开有出流孔的横板进入出口稳压室，流出整个实验段。图1 实验系统图射流板采用99阵列式排布，用有81个射流孔，其中孔间距沿流向和展向是一致的X/d=Y/d=5。气流的雷诺数是根据孔径（d）来计算，设置为35,000。冲击高度，也就是射流板与冲击板的间距，H/d=3。9个热电偶布置于射流板上孔口的出流处，测量射流的出口温度，通过ITLR自制软件ProTeIn3, 可以得到射流板上不同时间，不同位置的参考温度，从而计算冲击板上的对流换热效率。图2 实验模型示意图这里采用瞬态热敏液晶的方法来确定冲击板上的对流换热系数。采用显示温度为31的窄段热敏液晶，液晶（TLC）具体的显示温度通过实验前期的校准实验确定。液晶直接喷涂在冲击板表面，之后在液晶上层喷涂黑色油墨，为图像的采集提供背景。冲击板上的对流换热系数通过测量得到的壁温和半无限大平板的一维瞬态热传导方程求解得到，为了满足冲击板为一维半无限大平板的假设，整个实验时间控制在90s内完成4。对于平板，壁面温度和对流换热系数可以通过以下公式来表达，这个公式可以通过测量得到壁面温度TW和对应的时间t（通过热敏液晶的显示）来数值计算求解。 (1)其中， ， TB为参考温度，k为有机玻璃导热系数，为有机玻璃密度，c为有机玻璃比热。3 误差分析根据Gaussian误差公式，无量纲化的温度参数的误差为， (2) 的误差为， (3)因此，对流换热系数的误差可以表述为， (4)对其中一个实验算例，实验条件参数及其对应误差见表1.表1 实验参数及其误差TW=304 KTW=0.1 KTBTB=0.2 KT0=291.5 KT0=0.2 K=1190 kg/m3=10 kg/m3c=1470 J/(kgK)c=20 J/(kgK)k=0.19 W/(mK)k=0.01 W/(mK)tt=0.2 s可以看出，对流换热系数的误差是，随位置不断变化的参考温度（TB）以及随位置不断变化的热敏液晶显示时间，这两个参数的函数。图3显示了冲击板上的不同参数， 可以看出，即使在同一个实验中，冲击板对流换热系数的误差是随着位置的不同而显著变化的。误差与液晶显示时间，无量纲化温度，以及对应点对流换热系数是相关联的。在冲击板中心处，对应了较高的参考温度，其对应的误差也较高。同时，在射流孔位置，对应了较高的对流换热系数及较短的显示时间，其误差也较高。我们可以得出这样的结论，较高的参考温度以及射流滞止区内，对流换热系数的误差较高。在本次实验中，射流参考温度设定在36.5 到 45 C之间，而无量纲温度参数()则在0.47-0.69范围内。计算得到的整个冲击表面的对流换热系数误差低于9%。图3 (a) 冲击表面Nu数分布云图 (b) 冲击表面对流换热系数误差分布图(c) TLC显色时间 (d) 无量纲温度系数分布图4 结论本文详细介绍了应用热敏液晶技术进行传热测量的方法，应用在冲击射流的瞬态传热实验中，提出了瞬态热敏液晶在二维表面的误差系数分析方法，分析了参考温度、液晶显色时间及对流换热系数值对误差系数的影响。参考文献1 何世平，龚兴龙，伍小平.热色液晶无损检测技术J. 实验力学，1996，11(1)，24- 29.2 韩振兴， 邸倩倩，李志宏，刘 石，热敏液晶定量测温系统，仪器仪表学报，2006, 27(7), 679-682.3 Poser, R., von Wolfersdorf, J., and Lutum, E., 2007. “Advanced evaluation of transient heat transfer experiments using thermochromic liquid crystals”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 221(6) Part A, pp. 793801.4 Wagner, G., Kotulla, M., Ott, P., Weigand, B., and von Wolfersdorf, J., 2004. “The transient liquid crystal technique: Influence of surf