CN111351609A - 一种壁面切应力矢量的测量方法 - Google Patents

一种壁面切应力矢量的测量方法 Download PDF

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刘玄鹤
王昊
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    • G01L11/002—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by thermal means, e.g. hypsometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

本发明提供了一种壁面切应力矢量的测量方法，属于流体力学实验技术领域。本发明的壁面切应力矢量测量方法使用的测量结构由两个安装在壁面上的相互垂直的免标定热膜传感器构成。这两个传感器的尺寸和结构完全相同。传感器的免标定原理采用双层镍箔来阻隔作为敏感元件的热膜向壁面的热传递的方法实现。采集这两个传感器的电压电流并对两个传感器的发热功率加以计算，结合两个传感器安装的位置关系，可以推算出壁面切应力的大小和方向。该方法无需标定即可测量壁面切应力的大小和方向。

Description

一种壁面切应力矢量的测量方法
技术领域
本发明属于流体力学实验技术领域，涉及一种壁面切应力的矢量测量方法，用于测量流场中壁面的切应力的大小和方向。
背景技术
壁面切应力是流场中壁面的重要参数，它能确定壁面粘性力和壁面附近速度的分布，测量壁面切应力的方法有在壁面上直接测量方法和测量与壁面切应力相关的物理量的间接测量方法。其中，采用热交换原理的微机电传感器在测量领域得到了广泛的应用。在热交换原理的传感器中，一种无需标定的壁面切应力传感器可以对壁面切应力的大小进行测量，但该传感器无法识别壁面切应力的方向。
发明内容
本发明提出一种壁面切应力矢量的测量方法，可以测量流场中壁面切应力的大小和方向。
本发明的技术方案：
一种壁面切应力矢量的测量方法：所述的测量方法由两个尺寸和结构均相同的安装在壁面上的相互垂直的免标定热膜传感器构成的测量结构组成。方向范围在两个传感器之间的待测壁面切应力作用在这种测量结构上，此时组成这个测量结构的每个免标定热膜传感器的电压和电流与两个因素相关：一是壁面切应力的大小，二是壁面切应力的方向与免标定热膜传感器安装方向的夹角。结合两个免标定热膜传感器的电压和电流，得出两个传感器的加热功率，可以计算出壁面切应力的大小和方向。
本发明的有益效果：本发明通过构建两个安装在壁面上的相互垂直的免标定热膜传感器组成的测量结构，结合这两个传感器的加热功率，即可计算出测量结构位置处的壁面切应力的大小和方向，仅靠对测量结构中传感器电压和电流的测量即可实现测量，在使用中不需要对测量结构进行标定，适用于需要测量壁面切应力的大小和方向但又不方便进行标定的场合。
附图说明
图1是免标定热膜传感器的结构原理图。
图2是两个免标定热膜传感器的安装位置图。
具体实施方式
以下结合附图及技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
热交换原理的免标定热膜切应力传感器的示意图如图1所示。传感器由两片镍箔和一层聚酰亚胺薄膜构成，将两片镍箔通电加热至同一温度，其中一片镍箔与流场中的流体直接接触，与流体热交换，作为敏感元件。另一片镍箔安装在聚酰亚胺薄膜另一侧的对应位置，作为敏感元件的衬底，并使两片镍箔工作在同一温度下。这样敏感元件向壁面传导的热量就可以减小至几乎为零。这时热膜的发热功率Q与壁面切应力存在以下关系：
Figure BDA0002412202560000021
其中根据换热理论推导：
Figure BDA0002412202560000022
其中，Tf是镍箔温度，Ta是流体温度，w是镍箔宽度，l是镍箔长度，k、ρ、Cp、μ分别是流体的导热系数、密度、比热容和粘度；
根据电阻温度系数公式，镍箔的温度Tf使用以下公式推算出来：
Figure BDA0002412202560000023
其中，Tf是镍箔温度，T0是镍箔在室温下的温度，α是镍的电阻温度系数，R0是镍箔在常温下的电阻，R是镍箔在工作状态下的电阻。通过对电流的控制和电阻的测量可以把两片镍箔加热至同一温度，作为敏感元件的热膜与壁面的热传递即可忽略。
上述分析是建立在来流方向与传感器法向夹角为零的情况下的结论，当来流方向与传感器法向方向夹角为α时，根据换热理论，可以得出:
Figure BDA0002412202560000031
可见，当来流方向与传感器法线方向有夹角时，热膜的加热功率与夹角为零的情况相比，乘以夹角余弦值的三分之一次方即为此时的加热功率。
本发明提出的测量结构由两个贴装在壁面上的免标定热膜传感器组成，这两个热膜传感器对称安装，相互垂直，如图2所示。其中，两个热膜传感器的法向与来流方向的夹角分别为α1和α2，壁面切应力与两个传感器对称轴的夹角为β，两个传感器的工作温度相同，均为Tf，则根据公式(4)，两个热膜传感器的发热功率Q1和Q2可以表示为以下形式
Figure BDA0002412202560000032
Figure BDA0002412202560000033
在实际应用中，Q1和Q2是通过热膜的电压和电流可以直接测量和计算，公式(5)和(6)中的未知量为切应力和夹角，由示意图中的几何关系，
α1＝β-45° (7)
α2＝β+45° (8)
将该角度关系代入，得到
Figure BDA0002412202560000034
Figure BDA0002412202560000041
即通过测量两个传感器的发热功率，可得到壁面切应力的大小和方向。

Claims (1)

1.一种壁面切应力矢量的测量方法，其特征在于，该测量方法使用两个安装在壁面上的相互垂直的热膜传感器进行测量；两个热膜传感器的尺寸和结构完全相同；热膜传感器根据加热功率与壁面切应力的关系来测量壁面切应力的大小；热膜传感器使用工作在同一温度下的双层镍箔实现，以阻隔作为敏感元件的镍箔与壁面之间的热传递，以实现传感器的免标定测量；通过对两个热膜传感器的加热功率的换算，得出壁面切应力的大小和方向；两个热膜传感器的加热功率分别为Q1和Q2，壁面切应力的方向β和大小τw分别为：
Figure FDA0002412202550000011
Figure FDA0002412202550000012
式中：Q1和Q2表示热膜传感器的发热功率；A为根据传感器尺寸和工作温差通过换热理论推导出的常数。
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