[go: up one dir, main page]

CN114544141B - 一种固体形变场测量方法 - Google Patents

一种固体形变场测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114544141B
CN114544141B CN202210442344.2A CN202210442344A CN114544141B CN 114544141 B CN114544141 B CN 114544141B CN 202210442344 A CN202210442344 A CN 202210442344A CN 114544141 B CN114544141 B CN 114544141B
Authority
CN
China
Prior art keywords
conductive fluid
temperature
cavity
heat
solid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210442344.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114544141A (zh
Inventor
王泽栋
阳倦成
张年梅
倪明玖
吕泽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
University of Chinese Academy of Sciences
Original Assignee
Xian Jiaotong University
University of Chinese Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University, University of Chinese Academy of Sciences filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202210442344.2A priority Critical patent/CN114544141B/zh
Publication of CN114544141A publication Critical patent/CN114544141A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114544141B publication Critical patent/CN114544141B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00—Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/06—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics
    • G09B23/16—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for science of heat
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/06—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics
    • G09B23/18—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for electricity or magnetism
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

本发明涉及传热、磁流体动力学等技术领域，特别是一种固体形变场测量方法，该方法利用了磁热流固多场耦合实验系统，该系统包括：导电流体循环系统和测量系统；导电流体循环系统用于在磁场环境下形成导电流体循环，导电流体在循环中进行加热并在循环过程中形成磁热流固耦合现象；测量系统包括温度场测量装置、速度场测量装置和形变场测量装置，温度场测量装置、速度场测量装置和形变场测量装置分别用于测量导电流体腔内导电流体的温度场分布、速度场和柔性件在磁热流固耦合作用下的固体形变场。一种固体形变场测量方法可以实现对不同磁场、不同热流密度、不同扰流件下的流场、热场、柔性件变形场的相互作用的研究。

Description

一种固体形变场测量方法
技术领域
本发明涉及传热、磁流体动力学等技术领域，特别是涉及一种固体形变场测量方法。
背景技术
在可控核聚变的研究领域中，研究导电流体工质下的传热和对流换热过程具有重要意义。导电流体运动观察与测量的现有技术如下：UDV实现界面捕捉：流固耦合场中，采用布置多组UDV探头进行对柔性件变形场测量；电势探针测速原理：在 发明专利CN202011515059.6中有具体方案描述，其导电流体为非透明流体，其速度测量无法通过可视化测量手段得到，目前测量手段为UDV测速和电势探针测速，该专利采用了壁面电势探针、浸入式电势探针；测量壁面探针间的电势差可以得到壁面附近的流向速度；通过七针电势探针的电势差可以得到空间位置处的速度和涡量；以上两种探针的空间分辨率均为2mm；热电偶测温：利用热电偶的Seeback效应测量温度在不同材料间产生的电势差，再通过提前标定好的曲线得到更加精确的温度。
发明内容
鉴于以上现有技术，本发明的目的在于提供一种固体形变场测量方法，为研究导电流体作为载热流体在多场耦合相互作用下流动和传热特性提供思路。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种磁热流固多场耦合实验系统，包括：导电流体循环系统和测量系统；
导电流体循环系统包括：导电流体腔、电磁泵和储液罐，导电流体腔、电磁泵和储液罐通过管道连通，储液罐用于储存导电流体，电磁泵导电流体为导电流体在管道中循环流动提供动力；
导电流体腔包括：腔体、扰流装置和加热装置；腔体包括入口、出口、稳流段和实验段，入口用于向导电流体腔内部输入导电流体，稳流段与出口和实验段前后连接，实验段与稳流段和出口前后连接，出口用于排出导电流体腔内导电流体，稳流段用于稳定导电流体的流速，实验段可加热导电流体；扰流装置包括柔性件和刚性件，柔性件固定于刚性件上，扰流装置固定于实验段内，扰流装置用于扰动导电流体的运动生成流固耦合效应；加热装置与导电流体腔连接，加热装置用于加热导电流体；
测量系统包括温度场测量装置、速度场测量装置和形变场测量装置，温度场测量装置用于测量导电流体腔内导电流体的温度场分布；速度场测量装置用于测量导电流体腔内导电流体的速度场；形变场测量装置用于测量柔性件在导电流体扰动下的固体形变场。
优选地，磁热流固耦合实验系统设置于磁场环境中；
更进一步优选地，磁场环境利用线圈电磁铁生成；
更进一步优选地，磁场环境利用通过线圈的电流控制磁场强度；
更进一步优选地，磁场环境利用电磁铁旋转可改变磁场方向。
优选地，还包括第一冷水机和散热装置，第一冷水机与电磁泵通过导管连接，第一冷水机用于降低电磁泵的温度，散热装置包括换热器和第二冷水机，第二冷水机通过管道与换热器连通，散热装置用于吸收导电流体热量。
优选地，扰流装置与导电流体腔为可拆卸连接。
优选地，柔性件和刚性件为可拆卸连接。
优选地，还包括电磁流量计，电磁流量计用于测量腔体内导电流体的流量。
优选地，加热装置包括导热件、发热件和电源，导热件用于传导发热件的热量至导电流体，发热件置于导热件内，发热件与电源通过导线电连接，电源用于控制发热件的发热功率。
优选地，速度场测量装置包括第一位移控制装置、壁面电势探针和浸入式电势探针，壁面电势探针设置于实验段内侧壁面，第一位移控制装置与浸入式电势探针通过导线电连接，浸入式电势探针浸入导电流体腔内壁面电势探针和浸入式电势探针用于测量导电流体的电势。
优选地，温度场测量装置包括第二位移控制装置，第一测温装置、第二测温装置和处理器，第二位移控制装置与第一测温装置通过导线电连接，第一测温装置浸入导电流体用于测量导电流体内部温度，第二测温装置设置于导热件内，第二测温装置、处理器和电源通过导线连接，第二测温装置用于测量与导电流体接触的导热件的表面温度。
优选地，形变场测量装置包括信号发射接收装置和处理器；信号发射接收装置设置于腔体一侧，信号发射接收装置与处理器通过导线电连接；
更进一步优选地，信号发射接收装置与腔体外侧面平行；
更进一步优选地，信号发射接收装置为超声多普勒探头；
更进一步优选地，信号发射接收装置的数量为两个或者多个。
基于磁热流固多场耦合实验系统的一种温度场测量方法，包括如下步骤：
在导电流体腔内通过第二位移控制装置的控制作用使第一测温装置在所处位置的截面上移动，第一测温装置通过在截面上移动测得在截面上不同点的温度值；
通过移动可移动盖板，将第一测温装置放入到下一个测量位置，通过相同的方式获得测量位置截面上的不同位置的温度值；
利用不同截面上不同位置处的温度值获得导电流体腔内的温度场。
基于磁热流固多场耦合实验系统的一种固体形变场测量方法，包括如下步骤：
利用信号发射接收装置向柔性件发射信号，信号被腔体的内侧壁和柔性件反射再次被信号发射接收装置接收，信号发射接收装置将信号传送至处理器，处理器经过如下步骤获得固体形变场的参数：
第一信号从信号发射接收装置发射到被腔体内侧壁反射至被信号发射接收装置接收的时间间隔t1；
第二信号从信号发射接收装置发射到被柔性件反射至被信号发射接收装置接收的时间间隔t2；
利用时间间隔t1和时间间隔t2相减得到第一信号到达腔体内侧壁与第二信号到达 柔性件的时间差T，时间差T满足如下公式：
Figure 889717DEST_PATH_IMAGE001
；
利用时间差T与信号在流体中的速度C相乘得到柔性件到腔体内侧壁距离S，距离S 满足如下公式：
Figure 874990DEST_PATH_IMAGE002
；
利用不同位置处的同一时刻的距离S1和不同位置处的下一时刻距离S2对应相减获 得不同位置处的柔性件相对空间位置H，柔性件相对空间位置H满足如下公式：
Figure 388011DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 458735DEST_PATH_IMAGE004
表示在t时刻x位置处的柔性相对空间位置，柔性件相对 空间位置y(x,t)为离散的空间位置点，再通过已知柔性件的固有属性采用多项式插值从而 拟合出的连续曲线，连续曲线即为柔性变形体的空间位置平面图；
将柔性相对空间位置H进行傅里叶变换获得柔性件的运动频率f；
利用柔性相对空间位置H得到柔性件的运动振幅A，运动振幅A满足如下公式：
Figure 512142DEST_PATH_IMAGE005
，其中，
Figure 289605DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 770265DEST_PATH_IMAGE007
分别为同一时刻柔性件相对空间位置H的 最大值和最小值；
利用柔性相对空间位置H得到柔性件的运动速度v，运动速度满足如下公式：
Figure 62706DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 854557DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 548844DEST_PATH_IMAGE010
分别为同一位置不同时刻的柔性件相对 空间位置H。
优选地，还包括速度场的测量；
更进一步优选地，测量采用电势探针测速原理获得速度场。
如上，本发明一种固体形变场测量方法，至少具有以下有益效果：
1.利用线圈电磁铁生成磁场环境，并通过磁场环境利用调整通过线圈电流控制磁场强度，磁场环境利用电磁铁旋转改变磁场方向，在磁场环境下导电流体利用电磁泵到达导电流体腔，导电流体在流经导电流体腔时被底部的加热装装置均匀加热，经过加热的导电流体在电磁泵的压力作用下流经散热装置进行冷却从而形成热循环回路；由于内部放置的扰流装置中刚性件和柔性件的干扰作用，导电流体在导电流体腔内形成磁热流固耦合效应，由于导电流体与柔性件之间的相互作用实现对流换热，从而增加提高换热效率，因此导电流体在导电流体腔中能达到更高效率的增强换热效果；在导电流体腔内放置了壁面电势探针和浸入式电势探针，利用电势测速原理可以容易的获得导电流体在磁热流固耦合作用下的速度场；同时利用放置在导电流体腔中的第一测温装置可以获得导电流体腔内温度场的分布，并利用放置在加热装置中的第二测温装置测得导热件与导电流体接触面的导热件温度，并将温度反馈至处理器，利用处理器再控制电压的输出功率从而将导电流体的加热温度稳定在一定范围内；再利用导电流体腔外的信号发射处理装置对柔性件发射信号， 并将被导电流体腔内侧壁和柔性件反射回的信号传送至信号处理器，通过信号处理器获得导电流体腔内的固体形变场；磁热流固多场耦合实验系统及测量方法可以研究不同磁场、不同热流密度、不同扰流件下的流场、热场、柔性件变形场的相互作用，稳定性高，推广性强，为探究磁热流固多场耦合的增强换热问题提供了可靠的实验手段和测量方法。
2.由于扰流装置与导电流体腔可拆卸连接，刚性件与柔性件可拆卸连接，因此可以通过选择不同形状、不同数量、不同大小、不同位置的刚性件进行磁热流固耦合效应的刚性体变量实验，同时也可以选择不同形状、不同数量、不同大小、不同弹性模量的柔性件进行磁热流固耦合效应的柔性件变量实验，这样的设计组合方式极大地增大了磁热流固多场耦合实验系统增强换热问题的研究范围。
3.加热装置中导热件是均匀厚度的铜板，铜板导热性好且便于获得，增加了实验的可操作性，铜板上刻有回型纹路的凹槽，通过回型纹路凹槽，可利用单根电阻丝叠回放置在凹槽中形成双线缠绕结构，电阻丝一端接电源正极，电阻丝的另一端接电源负极，这样的放置和连接方式可以更加便捷达到双线缠绕结构的电阻丝内电流流向相反的效果，最终实现抵在磁场作用下产生的安培力，同时可通过对铜板上回型纹路凹槽深度的调节，增加或减少槽内电阻丝的尺寸，可对热量需求不同和加热面积需求不同的物件进行加热，易于控制，由于测温装置的设计再结合可编程直流稳压电源，可以实现控制导电流体腔内导电流体循环回路的热平衡以及温度升降的实验效果。
4.一种固体形变场测量方法通过采用声波可透性强的固体材料作为导电流体腔的腔体材料使得信号发射接收装置所发射的信号能更容易到达柔性件表面，由于在穿透腔体时被吸收的能量小，所以在柔性件表面被反射的信号能量强以便于信号采集和分析从而得到更加准确的数据；同时采用超声多普勒探头可同时进行信号的发生、发射与接收，使得实验整个系统设计更加简洁，易操作；由于信号发射接收装置可设置多个，所以系统可针对不同长度的柔性件的形变界面进行监控；同时柔性件的厚度小于0.5毫米，反射信号的强度越高，越有利于对于柔性件的形变界面的监测。
5.一种固体形变场测量方法中还包括电磁流量计，可通过电磁流量计精准确定循环系统中导电流体的流速大小，再通过电磁泵和阀门的配合可以容易对循环系统中导电流体流量进行控制，操作方便易行。
附图说明
图1显示为本发明一种固体形变场测量方法结构示意图。
图2显示为本发明导电流体腔示意图。
图3显示为本发明导热件结构设计示意图。
图4显示为本发明形变场测量装置示意图。
元件标号说明：导电流体腔1、信号发射接收装置2、刚性件12、柔性件13、导热件15、发热件16、电源17、第一位移控制装置31、第二位移控制装置41、阀门5、电磁泵7、换热器9、第二冷水机81、电磁流量计10、可移动盖板11、入口111、稳流段112、实验段113、壁面电势探针插板114、出口115、连接孔151、测温孔152。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图4。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。
请参阅图1至图2，本发明提供一种磁热流固多场耦合实验系统，包括导电流体循环系统和测量系统；导电流体循环系统包括：导电流体腔1、电磁泵7和储液罐，电磁泵与第一冷水机通过管道连通，第一冷水机用于降低电磁泵7工作时温度防止电磁泵7温度过高损坏电磁泵7，导电流体腔1、电磁泵7和储液罐通过管道连通，储液罐用于储存导电流体，导电流体具体可以选择为金属流体，电磁泵7导电流体为导电流体在管道中循环流动提供动力；导电流体腔1包括：腔体、扰流装置和加热装置；腔体包括入口111、出口115、可移动盖板11、稳流段112和实验段113，可移动盖板11置于实验段113的顶部，入口111用于向导电流体腔11内部输入导电流体，稳流段112分别与出口115和实验段113前后连接，实验段113与稳流段112和出口前后连接，出口115用于排出导电流体腔1内导电流体，稳流段112用于稳定导电流体的流速，实验段113可加热导电流体；扰流装置包括柔性件13和刚性件12，柔性件13固定于刚性件12上，扰流装置固定于实验段内，扰流装置用于扰动导电流体的运动形成流固耦合效应；加热装置设置于导电流体腔1的底部，加热装置用于加热导电流体；测量系统包括温度场测量装置、速度场测量装置和形变场测量装置，温度场测量装置用于测量导电流体腔1内导电流体的温度场分布；速度场测量装置用于测量导电流体腔1内导电流体的速度场；形变场测量装置用于测量柔性件13在导电流体扰动下的固体形变场。
本实施案例中，还包括将磁热流固多场耦合实验系统放置在磁场环境下，磁场环境可以选择用线圈电磁铁生成，磁场环境的磁场强度可以选择通过调整线圈电磁铁的线圈电流来改变，磁场环境方向可选择通过利用线圈电磁铁的旋转来改变。
本实施案例中，请参阅图1，还包括散热装置，散热装置包括换热器9和第二冷水机81通过管道相连接形成散热系统，换热器9可以根据实际要求选择，导电流体通过加热系统吸收热量后再通过散热装置热系统冷却至初始温度，再次进入到循环系统中。
本实施案例中，请参阅图1，还包括电磁流量计10，为了控制导电流体腔1内导电流体流速，在循环系统中接入电磁流量计10使得所测试流体流量数据更为精确，依据电磁流量计10的测试数据，通过阀门5对导电流体腔1内流量进行控制。
本实施案例中，请参阅图1至图2，刚性件12可以选择为圆柱或其他形状的刚性件，优选地，刚性件12的形状还可以选择三角柱和方柱，柔性件13可以选择为长条形柔性薄片或薄板，柔性件13的厚度可以选择为小于0.5毫米，刚性件12与导电流体腔1可拆卸连接，具体可拆卸连接实现方式不是本申请的重点，本申请仅以举例说明，比如可以通过卡接方式实现可拆卸，可用于对于不同形状和材质刚性扰流件对流固耦合作用影响的探究，柔性件13固定在刚性件12后，刚性件12和柔性件13可拆卸连接，此处可拆卸连接可以通过绑定或者夹持等方式实现，导电流体通过刚性件12和柔性件13的扰流作用形成磁热流固耦合效应，柔性件的形变即为待测固体形变场。
本实施例中，请参阅图1和图3，加热装置包括：导热件15、发热件16和电源17，导热件15用于传导发热件16的热量至导电流体，发热件16置于导热件15内，发热件16与电源17通过导线电连接，电源17用于控制发热件16的发热功率。
本实施例中，请参阅图3，导热件15可以选择为厚度均匀的铜板，导热件15左右两侧均匀间隔处刻有连接孔151，通过连接孔151和螺栓、防水密封圈等元件配合，从而将导热件15固定在导电流体腔1上，导热件15上刻有均匀回型纹路凹槽，凹槽用于放置发热丝，发热丝可以选择为电阻丝，电热丝具体可以选择单根电阻丝叠回放置在回型纹理凹槽形成双线缠绕结构，电阻丝一端接电源17正极，电阻丝的另一端接电源17负极，这样的放置和连接方式可以达到双线缠绕结构的电阻丝内电流流向相反的效果，最终实现抵在磁场作用下产生的安培力。通过加热装置可以实现在磁场环境下均匀加热和抵消整体装置安培力的效果，同时导热件15中部设置了测温孔152，测温孔152可选择为等间距或不等间距的方式，排列在导热件15中，测温孔152可以具体选择为不等间距的方式，排列在导热件15中，这样的排列方式可以更加精确地测出指定位置的导热件15温度；测温孔152用于放置第二温测温装置，第二测温装置用于测量导电流体与导热件15接触的导热件15的表面的温度，第二测温装置可通过与电源17和处理器电连接，在处理器处获得表面温度通过处理器反馈温度调节信号至电源17，通过改变电源17的输出功率从而达到控制加热温度的效果，使导电流体腔1内温度稳定在一定范围内。
本实施案例中，请参阅图1，温度场测量装置中第一测温装置和第二位移控制装置41通过导线电连接，第一测温装置可以具体选择为铠装热电偶，第一测温装置穿过导电流体腔1顶部腔体伸入导电流体腔1内部，通过第二位移控制装置41控制第一测温装置在测温点所在的截面内进上下左右移动获得截面不同位置处的温度。
本实施案例中，请参阅图2，速度测量装置包括壁面电势探针插板114、壁面电势探针、浸入式电势探针和第一位移控制装置31，壁面电势探针插板114通过卡接方式浸入到导电流体腔1内，壁面电势探针浸入壁面电势探针插板114从而与导电流体接触并测量对应位置处电势，浸入式电势探针通过导线与第一位移控制装置31电连接，浸入式电势探针穿过导电流体腔1的顶部伸入导电流体腔1内部，通过第一位移控制装置31控制浸入式电势探针在测量点所在的截面内进行上下左右移动获得截面不同位置处的温度，利用发明专利CN202011515059.6中所描述的电势测速方法可简洁快速获得导电流体腔1内的速度场。
一种基于磁热流固多场耦合实验系统的温度场和固体形变场测量方法，请参阅图1和图2，本实施例中，温度场的测量包括如下步骤：
S1、将第一测温装置放入导电流体腔1内，通过第一位移控制装置31的控制作用使第一测温装置在所处位置的截面上移动，第一测温计通过在截面上移动测得在截面上不同点的温度值；
S2、通过移动可移动盖板11，将第一测温装置放入到下一个测量位置，通过相同的方式获得测量位置截面上的不同位置的温度值；
S3、通过不同截面上不同位置处的温度值获得导电流体腔内的温度场；
一种利用磁热流固多场耦合实验系统及测量方法的温度场和固体形变场测量方法，请参阅图1和图4，本实施例中，固体形变场测量包括如下步骤：
利用信号发射接收装置2向柔性件13发射信号，信号被腔体的内侧壁和柔性件反射再次被信号发射接收装置2接收，信号发射接收装置2将信号传送至处理器，处理器经过如下步骤获得固体形变场的参数：
S01、第一信号从信号发射接收装置2发射到被腔体内侧壁反射至被信号发射接收装置2接收的时间间隔t1，其中，第一信号包括声波；
S02、第二信号从信号发射接收装置2发射到被柔性件13反射至被信号发射接收装置2接收的时间间隔t2，其中，第一信号包括声波；
S03、利用时间间隔t1和时间间隔t2相减得到第一信号到达腔体内壁与第二信号到 达柔性件13的时间差T，时间差T满足如下公式：
Figure 200405DEST_PATH_IMAGE001
；
S04、利用时间差T与信号在流体中的速度C相乘得到柔性件13到腔体内侧壁距离 S，距离S满足如下公式：
Figure 183404DEST_PATH_IMAGE002
；
S05、利用不同位置处的同一时刻的距离S1和不同位置处的下一时刻距离S2对应相 减获得不同位置处的柔性件13相对空间位置H，柔性件13相对空间位置H满足如下公式：
Figure 578614DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 127407DEST_PATH_IMAGE004
表示在t时刻x位置处的柔性相对空间位置，柔性件相对 空间位置y(x,t)为离散的空间位置点，再通过已知柔性件3的固有属性采用多项式插值从 而拟合出的连续曲线，固体属性包括的弹性模量、振动频率等参数，连续曲线即为柔性变形 体的空间位置平面图；
S06、将柔性相对空间位置H进行傅里叶变换获得柔性件13的运动频率f；
S07、利用柔性相对空间位置H得到柔性件13的运动振幅A，运动振幅A满足如下公 式：
Figure 215448DEST_PATH_IMAGE005
，其中，
Figure 420165DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 619065DEST_PATH_IMAGE007
分别为同一时刻柔性件13相对空间位 置H的最大值和最小值；
S08、利用柔性相对空间位置H得到柔性件13的运动速度v，运动速度满足如下公 式：
Figure 22364DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 218990DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 973320DEST_PATH_IMAGE010
分别为同一位置不同时刻的柔性件 13相对空间位置H。
综上，本发明实现了导电流体磁热流固多场耦合下的速度、温度、固体变形场的测量，便于开展磁场作用下流固耦合问题与对流增强换热问题的研究，磁热流固多场耦合实验系统中利用线圈电磁铁生成磁场环境，并通过磁场环境利用调整线圈圈数控制磁场强度，磁场环境利用电磁铁旋转改变磁场方向，在磁场环境下的导电流体通过电磁泵的压力作用从储液罐内输出到循环管道内，再利用电磁泵的压力用到达导电流体腔，导电流体在流经导电流体腔时被底部的加热装装置均匀加热，经过加热的导电流体在电磁泵的压力作用下流经散热装置进行冷却至初始温度从而形成热量循环；由于内部放置的扰流装置中刚性件的扰动作用，导电流体在导电流体腔内形成磁热流固耦合效应，由于导电流体与柔性件之间的振动增加对流换热，从而提高换热效率，因此导电流体在导电流体腔中更能达到高效率的增强换热效果。
在导电流体腔内放置了壁面电势探针和浸入式电势探针，利用电势测速原理可以容易的获得导电流体在磁热流固耦合作用下的速度场；同时利用放置在导电流体腔中的第一测温装置可以获得导电流体腔内温度场的分布，并利用放置在加热装置中的第二测温装置测得导热件与导电流体接触面的导热件温度，并将温度反馈至处理器，利用处理器再控制电压的输出功率从而将导电流体的加热温度稳定在一定范围内；再利用导电流体腔外的信号发射处理装置对柔性件发射信号， 并将被导电流体腔内侧壁和柔性件反射回的信号传送至信号处理器，通过信号处理器获得导电流体腔内的固体形变场。
一种固体形变场测量方法可以研究不同磁场、不同热流密度、不同扰流件下的流场、热场、柔性件变形场的相互作用，稳定性高，推广性强，为探究磁热流固多场耦合的增强换热问题提供了可靠的实验手段和测量方法；由于扰流装置与导电流体腔可拆卸连接，刚性件与柔性件可拆卸连接，因此可以通过选择不同形状、不同大小、不同材质的刚性件进行磁热流固耦合效应的刚性体变量实验，同时也可以选择不同形状，不同大小、不同弹性模量的柔性件进行磁热流固耦合效应的柔性件变量实验，这样的设计组合方式极大地增加了磁热流固多场耦合实验系统及测量方法的实验能力范围；其中加热装置中导热件是均匀厚度的铜板，铜板导热性好且便于获得，增加了实验的可操作性，铜板上刻有回型纹路的凹槽，通过回型纹路凹槽，可利用单根电阻丝叠回放置在凹槽中形成双线缠绕结构，电阻丝一端接电源正极，电阻丝的另一端接电源负极，这样的放置和连接方式可以更加便捷达到双线缠绕结构的电阻丝内电流流向相反的效果，最终实现抵在磁场作用下产生的安培力，同时可通过对铜板上回型纹路凹槽深度的调节，增加或减少槽内电阻丝尺寸，可对热量需求不同和对加热面积需求不同的物件进行加热，易于控制，由于测温装置的设计再结合可编程直流稳压电源，可以实现实时控制导电流体腔内导电流体受热平衡以及温度升降的实验效果；同时磁热流固多场耦合实验系统及测量方法通过采用声波可透性强的固体材料作为导电流体腔的腔体材料使得信号发射接收装置所发射的信号能更容易到达柔性件表面，由于在穿透腔体时被吸收的能量小，所以在柔性件表面被反射的信号能量强以便于信号采集和分析从而得到更加准确的数据；同时采用超声多普勒探头可同时进行信号的发生、发射与接收，使得实验整个系统设计更加丰富和系统化；由于信号发射接收装置可设置多个，所以系统可针对不同长度的柔性件的形变界面进行监控；同时柔性件的厚度小于0.5毫米，反射信号的强度越高，越有利于对于柔性件的形变界面的监测。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种固体形变场测量方法，其特征在于，所述固体形变场测量方法利用了磁热流固多场耦合实验系统，所述磁热流固多场耦合实验系统包括：
导电流体循环系统和测量系统；
所述导电流体循环系统包括：导电流体腔、电磁泵和储液罐，所述导电流体腔、所述电磁泵和所述储液罐通过管道连通，所述储液罐用于储存导电流体，所述电磁泵为所述导电流体在管道中循环流动提供动力；
所述导电流体腔包括：腔体、扰流装置和加热装置；所述腔体包括入口、出口、稳流段和实验段，所述实验段分别与所述稳流段和所述出口前后连接，所述入口用于向所述导电流体腔的内部输入所述导电流体，所述稳流段用于稳定所述导电流体的流速，所述实验段用于加热所述导电流体和形成磁热流固耦合提供场所，所述出口用于排出所述导电流体腔内的所述导电流体；所述扰流装置包括柔性件和刚性件，所述柔性件固定于所述刚性件上，所述扰流装置固定于所述实验段内，所述扰流装置用于扰动所述导电流体的运动形成流固耦合效应；所述加热装置与所述导电流体腔连接，所述加热装置用于加热所述导电流体；
所述测量系统包括温度场测量装置、速度场测量装置和形变场测量装置，所述温度场测量装置用于测量所述导电流体腔内所述导电流体的温度场分布；所述速度场测量装置用于测量所述导电流体腔内所述导电流体的速度场；所述形变场测量装置用于测量所述柔性件在所述导电流体扰动下的固体形变场；
所述固体形变场测量方法，包括如下步骤：
信号发射接收装置向柔性件发射信号，所述信号被腔体的内侧壁和所述柔性件反射再次被所述信号发射接收装置接收；
所述信号发射接收装置将所述信号传送至处理器；
所述处理器获取第一信号从所述信号发射接收装置发射到被腔体的内侧壁反射至被所述信号发射接收装置接收的时间间隔
Figure 543870DEST_PATH_IMAGE001
；
所述处理器获取第二信号从所述信号发射接收装置发射到被所述柔性件反射至被所述信号发射接收装置接收的时间间隔
Figure 842127DEST_PATH_IMAGE002
；
所述处理器利用所述时间间隔
Figure 229246DEST_PATH_IMAGE001
和所述时间间隔
Figure 599047DEST_PATH_IMAGE002
相减得到所述第一信号到达所述腔体的内侧壁与所述第二信号到达所述柔性件的时间差T，所述时间差T满足如下公式：
Figure 427326DEST_PATH_IMAGE003
；
所述处理器利用所述时间差T与所述信号在导电流体中的速度C相乘得到所述柔性件到所述腔体内侧壁距离S，所述距离S满足如下公式：
Figure 224381DEST_PATH_IMAGE004
；
所述处理器利用不同位置处的同一时刻的所述距离S1和所述不同位置处的下一时刻所述距离S2对应相减获得所述不同位置处的柔性件相对空间位置H，所述柔性件相对空间位置H满足如下公式：
Figure 833217DEST_PATH_IMAGE005
，
其中，
Figure 941463DEST_PATH_IMAGE006
表示在t时刻x位置处的柔性相对空间位置，所述柔性件相对空间位置
Figure 952144DEST_PATH_IMAGE006
为离散的空间位置点；
所述处理器通过已知所述柔性件的固有属性采用多项式插值从而拟合出的连续曲线，所述连续曲线即为柔性变形体的空间位置平面图；
所述处理器将所述柔性相对空间位置H进行傅里叶变换获得所述柔性件的运动频率f；
所述处理器利用所述柔性相对空间位置H得到所述柔性件的运动振幅A，所述运动振幅A满足如下公式：
Figure 920100DEST_PATH_IMAGE007
，
其中，
Figure 953915DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 665519DEST_PATH_IMAGE009
分别为同一时刻所述柔性件相对空间位置H的最大值和最小值；
所述处理器利用所述柔性相对空间位置H得到所述柔性件的运动速度v，所述运动速度满足如下公式：
Figure 530707DEST_PATH_IMAGE010
，
其中，
Figure 669564DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 190675DEST_PATH_IMAGE012
分别为同一位置不同时刻的所述柔性件相对空间位置H。
2.根据权利要求1所述的固体形变场测量方法，其特征在于，所述磁热流固多场耦合实验系统的所述腔体设置于磁场环境中。
3.根据权利要求2所述的固体形变场测量方法，其特征在于，还包括第一冷水机和散热装置，所述第一冷水机与所述电磁泵通过导管连接，所述第一冷水机用于降低所述电磁泵的温度；所述散热装置包括换热器和第二冷水机，所述第二冷水机通过管道与所述换热器连通，所述散热装置用于吸收所述导电流体热量。
4.根据权利要求2所述的固体形变场测量方法，其特征在于，所述扰流装置与所述导电流体腔可拆卸连接。
5.根据权利要求2所述的固体形变场测量方法，其特征在于，所述柔性件和所述刚性件可拆卸连接。
6.根据权利要求2所述的固体形变场测量方法，其特征在于，所述加热装置包括导热件、发热件和电源，所述导热件用于传导所述发热件的热量至所述导电流体，所述发热件置于所述导热件内，所述发热件与所述电源通过导线电连接，所述电源用于控制所述发热件的发热功率。
7.根据权利要求2所述的固体形变场测量方法，其特征在于，所述速度场测量装置包括第一位移控制装置、壁面电势探针和浸入式电势探针，所述壁面电势探针设置于所述实验段内侧壁面，所述第一位移控制装置与所述浸入式电势探针通过导线电连接，所述浸入式电势探针浸入所述导电流体腔内所述壁面电势探针和所述浸入式电势探针用于测量所述导电流体的电势。
8.根据权利要求6所述的固体形变场测量方法，其特征在于，所述温度场测量装置包括第二位移控制装置，第一测温装置、第二测温装置和处理器，所述第二位移控制装置与所述第一测温装置通过导线电连接，所述第一测温装置浸入所述导电流体用于测量所述导电流体内部温度，所述第二测温装置设置于所述导热件内，所述第二测温装置、所述处理器和所述电源通过导线连接，所述第二测温装置用于测量与所述导电流体接触的所述导热件的表面温度。
9.根据权利要求8所述的固体形变场测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：
在所述导电流体腔内，第二位移控制装置控制使所述第一测温装置在所处位置的截面上移动；
所述第一测温装置通过在所述截面上移动测得在所述截面上不同点的温度值；
移动在所述导电流体腔上的可移动盖板，将所述第一测温装置放入到下一个测量位置，通过相同的方式获得不同的测量位置的截面上不同位置的温度值；
所述处理器利用不同截面上不同位置处的所述温度值获得所述导电流体腔内的温度场。
CN202210442344.2A 2022-04-26 2022-04-26 一种固体形变场测量方法 Active CN114544141B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210442344.2A CN114544141B (zh) 2022-04-26 2022-04-26 一种固体形变场测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210442344.2A CN114544141B (zh) 2022-04-26 2022-04-26 一种固体形变场测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114544141A CN114544141A (zh) 2022-05-27
CN114544141B true CN114544141B (zh) 2022-07-12

Family

ID=81666851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210442344.2A Active CN114544141B (zh) 2022-04-26 2022-04-26 一种固体形变场测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114544141B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102607802A (zh) * 2011-12-26 2012-07-25 北京航空航天大学 一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置
CN103791764A (zh) * 2014-01-27 2014-05-14 南京航空航天大学 一种非接触式涡流发生器强化换热方法及其装置
KR20140062819A (ko) * 2012-11-15 2014-05-26 이창섭 유체-구조 반복해석법에 의한 유연 프로펠러의 설계방법
CN114088228A (zh) * 2021-11-12 2022-02-25 中国科学院大学 强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置和方法
CN114112305A (zh) * 2021-12-06 2022-03-01 西南石油大学 一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置及方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102607803B (zh) * 2011-12-26 2014-04-23 北京航空航天大学 一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置
US10209017B2 (en) * 2014-07-24 2019-02-19 University Of Florida Research Foundation, Inc. Cryogenic heat transfer by a nanoporous surface
CN208759582U (zh) * 2018-07-06 2019-04-19 中国科学院大学 基于导电流体的驱动装置及机械臂

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102607802A (zh) * 2011-12-26 2012-07-25 北京航空航天大学 一种验证流固耦合算法的电机驱动结构高速转动试验装置
KR20140062819A (ko) * 2012-11-15 2014-05-26 이창섭 유체-구조 반복해석법에 의한 유연 프로펠러의 설계방법
CN103791764A (zh) * 2014-01-27 2014-05-14 南京航空航天大学 一种非接触式涡流发生器强化换热方法及其装置
CN114088228A (zh) * 2021-11-12 2022-02-25 中国科学院大学 强磁场条件下金属流体速度场和温度场的测量装置和方法
CN114112305A (zh) * 2021-12-06 2022-03-01 西南石油大学 一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
液体金属包层插件双向流固耦合及强化换热数值研究;高歌;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20210715(第7期);第9、10、13、19、28、29、59页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114544141A (zh) 2022-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ashjaee et al. Effect of magnetic field on the forced convection heat transfer and pressure drop of a magnetic nanofluid in a miniature heat sink
CN207115002U (zh) 一种相机感光芯片的散热装置
CN202177270U (zh) 多片半导体制冷器联合控制的温控器
CN102620590A (zh) 一种微通道热沉及微通道热沉性能测试装置
Azimy et al. Experimental investigation of the effectiveness of ultrasounds on increasing heat transfer coefficient of heat exchangers
CN114544141B (zh) 一种固体形变场测量方法
Moharana et al. Effect of aspect ratio of rectangular microchannels on the axial back conduction in its solid substrate
CN110261008A (zh) 一种水负载量热计
CN110687159A (zh) 一种导热脂的热阻测量装置及方法
CN106199061B (zh) 一种基于热脉冲法测量土壤水流速的装置及方法
CN101294780A (zh) 声空化与二氧化钛纳米颗粒控制沸腾传热的方法及装置
CN218551343U (zh) 气溶胶产生装置及其气溶胶产生制品、发热组件和感受器
Ye et al. Liquid metal hydraulic actuation and thermal management based on rotating permanent magnets driven centrifugal pump
CN108841716B (zh) 一种实现培养皿中梯度温控的装置
Wang et al. Flow boiling heat transfer of HFE7000 in manifold microchannels through integrating three-dimensional flow and silicon nanowires
CN217103069U (zh) 磁场环境下的加热装置
JP6267686B2 (ja) 冷却構造を備える一体型電子モジュール
Chang et al. Thermal performance improvement with scale imprints over boiling surface of two-phase loop thermosyphon at sub-atmospheric conditions
CN217276795U (zh) 温度场、速度场、固体场耦合的实验系统
CN209495989U (zh) 基于管壁激励的强化换热实验系统
JP2015518660A5 (zh)
Xu et al. A multi-channel cooling system for multiple heat source
CN113251845B (zh) 一种仿雪花拓扑微通道换热器及其换热性能检测装置
CN212904622U (zh) 一种测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置
CN111487282B (zh) 一种测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant