[发明专利]基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量方法和装置

权利要求书

1.使用基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置进行基于瞬态法的固体界面接触换热系数的测量方法，其中基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置是由上支撑板(1)、杠杆加载装置(2)、直线轴承(3)、压力变向节(4)、定滑轮机构(5)、低温试样连接杆(6)、低温加热炉(7)、高温加热炉(8)、滑轮带定位销(9)、传动轴套筒(10)、定心圆球(11)、卡环(12)、控温热电偶(13)、测温热电偶(16)、高温试样支撑杆(17)、下支撑板(18)、螺纹轴套(19)、螺纹传动轴(20)、低温程控表(21)、高温程控表(22)、前置多路选通放大器(23)、DB-37电缆线(24)、A/D转换板(25)、工控机(26)、滑杆(27)、加热炉托(28)和定位块(29)组成，压力变向节(4)的支点和杠杆加载装置(2)中砝码重力方向的力臂比为1∶5，低温试样(14)和高温试样(15)直径为φ10mm～φ25mm，高度为40mm～100mm，低温试样(14)和高温试样(15)为可选择的金属固体材料，将八根测温热电偶(16)分别置于低温试样(14)的四个孔和高温试样(15)的四个孔中，孔深度为试样直径的一半，测温热电偶(16)的直径为φ1.0±0.003mm，每个试样上的孔间距为9.5mm～10.5mm，靠近接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，孔直径为φ1.0mm～1.2mm，高温试样(15)置于高温支撑杆(17)端面的凹槽内，带凸块的高温试样支撑杆(17)置于螺纹传动轴(20)端面的凹槽内，侧面凸块与传动轴套筒(10)内侧的凹槽对齐，杠杆加载装置(2)与压力变向节(4)、定心圆球(11)、低温试样连接杆(6)、低温试样(14)依次连接，低温试样(14)置于低温试样连接杆(6)端面的凹槽内，定心圆球(11)位于其另一端面与压力变向节(4)端面的球面凹槽处，外侧由直线轴承(3)约束，低温加热炉(7)和高温加热炉(8)上电阻丝的接线柱分别与低温程控表(21)和高温程控表(22)负载输出端相连，试样加热时置于炉膛中心处，低温加热炉(7)可以在一定距离内沿直线运动，将八根测温热电偶(16)补偿导线的正负极分别与前置多路选通放大器(23)的相应输入通道连接，通过DB-37电缆线(24)把前置多路选通放大器(23)与工控机(26)内插的A/D转换板(25)各自的37针脚接口相连，控温热电偶(13)插入加热炉内部，其补偿导线正负极分别与程控表输入端正负极相连，再将每个程控表的输出端并联后通过RS232转换器接到工控机(26)的串口上，测温热电偶(16)、带温度补偿电路的前置多路选通放大器(23)与A/D转换板(25)依次连接，螺纹传动轴(20)、高温试样支撑杆(17)、高温加热炉(8)、高温试样(15)、低温加热炉(7)、低温试样(14)、低温试样连接杆(6)、定心圆球(11)和压力变向节(4)的轴线位于同一条中心线上，该方法特征为，安装好低温试样(14)、高温试样(15)和插好测温热电偶(16)以后，使测温 热电偶(16)折弯并紧靠试样外表面，在试样外侧缠上石棉布或刷一层隔热涂料，减少试样外侧面的热对流和热辐射，加热时使试样置于加热炉的中心部位，调整杠杆加载装置(2)的砝码盘上砝码重量使其产生的压力满足实验条件，试样安装就绪后，进入工控机(26)中的温度采集系统，该系统包括采集板卡设置、控温曲线设置、数据采集显示、数据计算四个部分，首先进入采集板卡设置部分，根据硬件板卡上的开关和跳线设置调整A/D转换板(25)和前置多路选通放大器(23)的物理参数，然后进入控温曲线设置部分，对低温加热炉(7)和高温加热炉(8)的内部温度进行控制，即实现炉内的温度升高到预定的值，并保持一段时间，对于低温加热炉(7)，从室温20℃开始，升温时间20分钟，达到400℃，保温时间为50分钟，对于高温加热炉(8)，升温时间40分钟，达到800℃，保温时间为30分钟，使炉膛内温度分布均匀，该操作通过制定两段温度-时间程序，经工控机(26)的串口写入到低温程控表(21)和高温程控表(22)中，程控表利用控温热电偶(13)实现与加热炉的信息反馈，使加热炉温度的升高完全按照预先制定的控温曲线进行，单击开始加热按钮，开始对加热炉升温，到达设定保温时间后，炉膛内试样温度也达到预定值，然后操纵定滑轮机构(5)使低温加热炉(7)升起，露出低温试样(14)，随即旋转螺纹传动轴(20)将高温试样(15)向上推出高温加热炉(8)，与低温试样(14)的表面接触后继续运动，将杠杆加载装置(2)顶起，砝码压力将逐渐由杠杆加载装置(2)的定位块转移到试样接触表面，这个过程需在极短时间内完成;

热流在两试样间实现迅速交换，改变了两试样内部的温度场分布，在两试样接触的同时，启动开始采集按钮，利用八根测温热电偶(16)对试样轴线方向各点的温度进行采集，并以温度-时间曲线的形式直观显示，采集过程也需要在极短时间内完成，采集过程中，程序自动将采集到的模拟电压信号根据热电偶分度表转换成温度值显示出来，并将采集的原始数据保存起来，包括电压值和温度值，形成原始数据库，再利用软件的数字滤波功能，对温度数据进行处理，去掉采集过程中外界噪声的干扰，得到测温热点偶(16)采集到M时刻对应的八个温度值，分别为Y_1，M，Y_2，M，Y_3，M，Y_4，M，Y_5，M，Y_6，M，Y_7，M，Y_8，M，低温试样(14)自上而下的四个温度点为Y_1，M，Y_2，M，Y_3，M，Y_4，M，高温试样(15)自上而下的四个温度点为Y_5，M，Y_6，M，Y_7，M，Y_8，M，将滤波后的一组温度-时间数据保存，形成处理结果数据库，此时，显示曲线将变得更加平滑，在计算部分预先输入试样材料的热物性参数，当两根等截面的圆柱试样在一定压力下互相接触并传递热量时，如果试样周围绝热，那么可以认为热流在试样中是沿一维轴向传递的，因为试样侧面采用的隔热、防辐射措施，所以可根据一维传热计算，计算模块采用动态反传热算法，用FORTRAN语言编写，供采集系 统调用，温度场控制方程为瞬态热传导偏微分方程，应用隐式有限差分方法，计算试样内部温度场分布，得到八个测温热电偶(16)测温点处在M时刻的计算温度值，分别为T_1，M，T_2，M，T_3，M，T_4，M，T_5，M，T_6，M，T_7，M，T_8，M，低温试样(14)自上而下的四个温度点为T_1，M，T_2，M，T_3，M，T_4，M，高温试样(15)自上而下的四个温度点为T_5，M，T_6，M，T_7，M，T_8，M，同时可得低温试样(14)下表面的温度为T_l，高温试样(15)上表面的温度为T_h，界面在M时刻的温度差ΔT_M＝T_h-T_l，然后根据经验任意给定一个热流密度值q^*，作为反传热算法的热流密度迭代初始值，试样初始温度分别为T_l，init和T_h，init，由于测温点存在测量误差，因此引入敏感系数计算及多点测量的方法，所谓的敏感系数是指对试样内点温度测量的敏感程度，一般可定义为温度关于热流密度的一阶微商，表示为：

其中，X(x，t)是指敏感系数场，T(x，t)是指试样内部的温度场，q是指热流密度，根据温度场的数值计算可以获得试样接触面的温度值T_l和T_h，热流密度的迭代计算采用如下公式：

其中，q_M是界面在M时刻的热流密度，J是指温度采集点的个数，X_k是指第k个测温点处的敏感系数，Y_k，M是指M时刻第k个测温点实际测得的温度值，T_k，M是指M时刻第k个测温点处由温度场控制偏微分方程计算得到的温度值，令δ＝q_M-q^*，当该差值δ小于某个设定的小量ε时，可以认为得到的q_M就是我们所需要的热流密度值，在计算过程中，需要不断计算并调用不同温度时材料的热物性参数，该算法的两个关键数据已经得到，即，各个时刻通过低温试样(14)下表面与高温试样(15)上表面接触部分的热流密度q_M和接触表面之间的温度差ΔT_M，用h_c，M代表界面在M时刻的接触换热系数，根据计算公式：

得到两试样接触面处不同时刻的接触换热系数，以及接触换热系数随时间、温度的变化关系，保存结果，便于进一步分析总结，退出温度采集系统。