液晶温度记录测量不确定性分析及其应用湍流传热测量

文摘

液晶温度记录不干扰是一种先进的测量技术,它能够提供一种高精度连续温度场测量,特别是对于一个复杂的结构化的传热表面。论文的第一部分提供了一个全面介绍热变色液晶材料和相关液晶温度记录技术。然后,基于aythors的经验使用传热测量液晶温度记录,影响测量的参数不确定性的液晶温度记录已经通过实验研究中详细讨论。论文的最后一部分描述了应用程序的稳定和瞬态液晶温度记录技术在研究湍流传热相关航空发动机涡轮叶片冷却。

1。介绍

热变色液晶(TLC)是一个胆甾型液晶材料。胆甾型材料形成一个类似的结构;然而,在不同的温度下飞机相邻液晶分子的取向与某些角度不同,导致不同的反射波长的可见光的白光照明时,然后显示不同的颜色(1- - - - - -3]。这样的光学特征的TLC取决于它的温度和可重复的和可逆的。准确的TLC的颜色和温度之间的关系可以通过仔细校准实验,然后可以用于任何表面的精确的温度测量。

目前,薄层色谱可以提供与操作温度−30°C到150°C。TLC可能带宽(1°C的活性温度范围)20°C,可以应用在液晶的温度测量通过改变颜色:顺利从红色到蓝色。薄层色谱的响应时间是大约3[女士3]。纯TLC材料是有机化合物,可以很容易地降低暴露在化学污染和紫外线(UV)光。目前,人们可以使用微型胶囊减少退化过程。小型化TLC粒子microencapsulated在透明聚合物壳(PMMA),可显著提高液晶材料的稳定性,让他们能够轻松处理。薄层色谱材料目前提供的Hallcrest有限公司(美国伊利诺伊州格伦维尔)和默克有限公司(英国池)。

不干扰TLC温度记录,作为一个强大的光学测温技术,能够提供高精度连续温度场测量,特别是对于一个复杂的结构化传热表面(3,4]。然而,在薄层色谱用于温度测量之前,必须进行hue-temperature校准。在过去的二十年里,许多研究已经进行了TLC的校准方法。饶和藏2),Camci et al。5),淀粉等。6),Behle et al。7),萨博迪诺et al。8陈,et al。9]研究实验的影响上的照明角度和视角hue-temperature tlc的校准曲线。罗斯和安德森(10],Wiberg和Lior [11),阿卜杜拉et al。12饶,et al。13)实验研究了涂层厚度的影响在TLC hue-temperature校准曲线。这些以前的研究只表明,照明角度和涂层厚度可以显著影响TLC hue-temperature校准曲线。应该指出,尽管先前的研究已经表明,照明角度和涂层厚度等因素可以影响TLC hue-temperature校准曲线,报告TLC的温度测量的不确定性是如何受到那些因素的影响仍相当有限。

在本文第一部分是专注于讨论的影响测量参数的测量不确定性TLC温度记录,和第二部分重点是薄层色谱的应用温度记录的湍流传热研究。

2。参数测量不确定度薄层色谱分析

有很多因素会影响TLC温度记录测量的不确定性,如薄层色谱带宽,颜色成像处理技术,涂层厚度、TLC涂层的质量,和照明角度,等等。

为了研究这些参数的影响的测量不确定性TLC,一个校准实验装置被构造成图所示1。日立的TLC温度记录系统包括(HV-D30P) 3 ccd RGB与变焦镜头相机,寒冷的照明源,数据采集系统、图像采集系统,和相关的数据处理软件。标定装置由一个透明的有机玻璃盖板,一个铜板电影加热器和两个K型热电偶(直径0.5毫米)的测量不确定性±0.1°C。

通过调整电压在电影加热器,铜板表面温度可以控制精确、迅速。铜基板的表面第一次被漆成黑色油漆,然后一层液晶(10-40μ米厚)。提供的microencapsulated TLC浆(Hallcrest SPN100R40C20W)的工作温度范围-°C。不同温度下的改变颜色是由3个ccd记录的RGB相机。薄层色谱图像是由自主研发的数据处理程序,处理和相应的TLC hue-temperature关系可以获得。与校准实验系统,作者研究了影响参数对测量的影响的不确定性。

2.1。薄层色谱的带宽测量的影响的不确定性

根据工作带宽,TLC一般可以分为窄带TLC和宽带。窄带TLC有一个活跃的温度范围1°C,和宽带TLC可以有一个活跃的温度范围5°C, 10°C,或20°C。薄层色谱的带宽减小,色调对温度的敏感性增加,然后TLC的测量精度提高。之前的文献表明,窄带的测量不确定性tlc约±0.1°C (12),0.1±-0.3°C (7),和±0.2 - -0.4°C (8]因为带宽的tlc 5°C和10°C,分别。带宽的TLC 20°C 0.4±-0.5°C的测量不确定性(2]。

2.2。图像处理对测量的影响的不确定性

图2显示了原始色调和中值过滤色调TLC的校准。校准实验完成了精心准备的薄涂层的厚度25μm,照明角度27°。色调值可以通过以下计算算法(14]。

,,分别是红色,绿色和蓝色的组件的液晶图像像素。

可以看出色调曲线比未经过滤的曲线变得更为顺畅。色调曲线的噪声被有效地移除。检查TLC的色调曲线的再现性,第二个加热过程。图2显示了良好的再现性的色调曲线。

估计的测量不确定性TLC,[中描述的方法8使用了)。一系列的恒温TLC彩色图像(100×100像素)的校准检查。temperature-hue的构造多项式拟合关系来将每个样本图像转换成对应的温度场,温度和标准差确定为每个图像。使用95%置信区间,每个离散温度/图像的不确定性估计标准偏差值的两倍。

图3显示实际温度测量和温度测量的不确定性。基于原始的色彩校准测量的不确定性范围从0.1到1.6°C均值0.98°C,基于中值过滤和测量的不确定性色调范围从0.04到0.87°C均值0.42°C。因此,中值滤波技术可以显著提高测量的准确性。同样值得注意的是:TLC显示了哪些地区测量的不确定性分布。41 - 45的温度范围°C,由于高色调对温度的敏感性,薄层色谱具有更高的测量精度,和中值过滤颜色校准意味着测量的不确定性0.17°C。

2.3。照明角度对测量的影响的不确定性

TLC校准进行了在不同的照明角度20°,27°34°30°,精心准备的TLC涂料基于标定试验系统如图1。图4显示了色调的照明角度校正的效果。照明角度对hue-temperature曲线有明显的影响,随着照明角度的增加,色调曲线向上移动。

图5显示照明角度的效果在实际温度测量和温度测量的不确定性。它可以发现,与照明角度测量的不确定性增加。平均测量不确定性与照明34°角约为25%高于20°的照明角度。原因应该作为照明角减少,照明强度的涂层薄层色谱更强,从而导致更强的颜色信号的反射,从而更高的测量精度。照明角度对测量的影响的不确定性更独特的45 - 60°C的温度范围内,对应于该地区的TLC色调灵敏度低。因此,为了得到更高的测量精度,照明角度应保持尽可能小和安排允许提供实验空间。

Behle et al。7)研究的影响范围内的照明角度0 - 70°TLC的温度测量的不确定性。他们显示与照明角度测量的不确定性增加,平均测量不确定性与照明35°角约为20%高于照明20°角,它同意本文的实验结果。

2.4。TLC涂层厚度对测量的影响的不确定性

涂层厚度也是一个重要因素影响薄层色谱测量的不确定性。图6显示了TLC涂料的色调曲线与不同厚度的10μ米,20μ25米,μ米,30μm, 40μm。照明角是27°。它可以发现,涂层厚度对hue-temperature曲线有明显的影响,随着涂层厚度的增加,色调曲线向上移动。

图7显示了涂层厚度对测量的影响的不确定性。它可以发现,除了薄涂层厚度10μm,其他TLC涂料显示类似的测量不确定性值和平均约0.45°C / calibratable温度范围的41-60°C,还覆盖着一层较厚的薄层色谱显示了一个相对较小的测量不确定性。图7也表明,薄层色谱的影响涂层厚度超过20μm是nondistinctive测量的不确定性。薄涂层的厚度10μm显示了独特的高测量的不确定性,因为涂层很薄,导致颜色的弱反射信号和相应更高的噪声电平的色调。

2.5。涂料质量对测量的影响的不确定性

因为会众的TLC微粒颗粒泥浆,可以相对较大的悬浮粒子聚集10 - 20的大小μm。铜表面上的薄涂层大致可以准备。TLC涂层也可以精心准备的以下过程:第一次稀释TLC浆与等量的蒸馏水和仔细混合和fine-filtered;然后TLC泥浆反复喷洒和干在黑色的表面上(1 - 5的支持μ米TLC粒子直径)。检查涂层质量的影响在TLC色调曲线校准和测量的不确定性,比较校准实验大致准备薄涂层和精心准备的TLC在同样的光照条件下涂层(照明角= 27°)。25的涂料具有相同的厚度μm。图8显示了色调曲线的比较粗糙的涂层和涂层。这是发现,薄涂层和高压液相色谱的涂层显示不同的色调曲线在同一单调calibratable温度范围内。细薄涂层具有更广泛的色调范围,这意味着细涂料色调灵敏度更高的温度和高分辨率测量。

图9显示了温度测量的不确定性的两个涂料与实际的温度测量。测量不确定性的涂层范围从0.04°C到0.87°C均值0.42°C;然而,粗糙的涂层范围从0.1°C到1.2°C均值0.72°C。优良的涂层显示了一个相当高的测量精度比粗糙的涂层。原因可能是,与优良的涂层相比,粗糙的表面涂层粗糙得多,和厚度不均匀性产生较大的噪音水平。因此,为了得到较高的测量精度,一个精心准备的涂层应该用于实际的TLC温度测量应用程序。

3所示。应用薄层色谱对湍流传热测量温度记录

3.1。稳定和瞬态TLC温度记录

TLC温度记录能够提供高精度、细致结构传热表面的温度测量。因此,在过去的20年中TLC温度记录作为温度测量的一个强大的工具已被广泛用于燃气轮机的湍流传热研究/喷气发动机热组件的冷却设计(15- - - - - -20.]。

具体来说,薄层色谱的应用温度记录的湍流传热研究可分为薄温度记录技术和瞬态高压液相色谱稳定温度记录技术。

3.1.1。稳定的TLC温度记录技术

当使用的TLC热稳定传热测量、TLC温度记录通常一起电影加热器工作。TLC提供当地的壁温数据,这部电影加热器提供了一个统一的表面热通量条件下,然后是传热系数可以获得。然而,在复杂的表面结构的情况下,电影加热器无法使用,然后当地的热通量数据应该用另一种方式获得。例如,在[16,17)上的热通量数据复杂的传热表面针鳍和酒窝是通过三维共轭计算;薄层色谱相结合获得的温度场的温度记录,传热系数字段可以确定。

3.1.2。瞬态TLC温度记录技术

瞬态TLC温度记录技术是一种先进高效的传热测量技术,基于傅里叶热传导方程的一维的解决方案在半无限墙(3,18- - - - - -20.传热),可用于高精度测量中复杂的冷却结构。

当地的壁温TLC可以测量。当地的传热系数可以确定使用测量壁温度和一维瞬态热传导方程的解为半无限固体。

一维瞬态热传导方程 边界条件是 在哪里是温度,是时间,,和固体壁导热系数、密度和比热。解决(2与边界条件),无量纲温度对流边界墙(跟随)得到: 方程(4)只适用于理想流内的温度一步上升。然而,在现实中主流温度的热电偶记录一个依赖于时间的变化,可以通过一系列的模拟小温度一步上升。Duhamel利用叠加定理,解决方案为传热系数在每个位置就代表了 在哪里气流体积温度在一个特定的时间吗,测量墙温度的时间吗(液晶)的颜色变化,和是初始壁温。解决(5)通过迭代方法,传热系数可以确定。自从TLC温度记录可以提供细致的温度数据,因此在墙上可以细致的传热系数数据。

3.2。薄层色谱的例子对传热测量温度记录

针鳍和肋骨紊流器常见的传热增强元素应用于燃气轮机叶片内部冷却通道,产生强烈的湍流在冷却通道和显著提高对流换热性能。毛雷尔et al。15)研究了表面局部换热特性与v型肋紊流器结合稳定的薄层色谱与不锈钢箔加热器温度记录技术。在他们的研究中,当地的壁温数据获得的TLC温度记录;统一的热通量条件提供的薄不锈钢箔加热器(25μ米厚度)。基于当地的壁温数据和当地热流数据,表面的局部努塞尔特数分布与v型肋骨是由(15)如图10。的测量不确定性传热系数约为12.5%。事实上,为了实现一个均匀分布的热流受热面,电影加热器的厚度应均匀,足够小,以便横向热传导的影响可以忽略。

在[16,17],作者展示了表面局部换热特性与针鳍和酒窝,结合稳定的薄层色谱得到的温度记录技术与三维CFD计算。图11显示了销实验示意图fin-dimple通道传热测量稳定TLC温度记录。当地的传热表面的温度数据通过TLC温度记录,和当地墙热通量数据是由三维共轭计算。薄层色谱上的原位校准温度记录已做过的传热实验,这表明TLC最高温度测量精度的温度范围内41°四十五°C。因此,在对流传热实验的壁温针fin-dimple板,小心控制在大约43°C。基于获得当地墙温度和热流数据,表面的局部努塞尔特数分布与销fin-dimple组合结构得到如图12。传热系数测量的不确定性为±6.5%,温度测量的不确定性是约±0.3°C。

舒勒et al。20.)获得了局部换热特性与角度的肋骨在墙上用瞬态TLC温度记录技术。在他们的研究中,被加热的气流通过网状加热到50 - 60°C,然后流淌在树脂玻璃板角度的肋骨,这有一个初始温度18°C。带宽的窄带TLC 1°C喷洒在树脂玻璃表面测试板,和瞬态传热测量的持续时间是90 - 120。图13显示了局部努塞尔数域在湍流条件下肋片表面。测量不确定性的努塞尔特数约为±8.0%,温度测量的不确定性是约±0.2°C。

4所示。结论

在论文的第一部分,系统介绍了热变色液晶(TLC)和液晶温度记录已被提出。基于文献综述和我们的经历用TLC的传热测量,液晶温度记录校准过程被详细描述,参数,从而影响TLC温度测量的不确定性,研究了。研究表明,使用一个图像降噪技术,薄涂层厚度,照明角度,涂层质量影响TLC特有的色彩校准和温度测量的不确定性。在论文的第二部分,示例应用程序的稳定和瞬态液晶温度记录技术,介绍了湍流对流换热的测量。

承认

研究工作是由中国国家自然科学基金(基金号。51176111和51176111)。

引用

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