3ω法測(cè)量流體的導(dǎo)熱系數(shù)
葛樹林 楊決寬 陳震 陳敏華 陳云飛
【摘要】：3ω法已成功應(yīng)用于體態(tài)、薄膜等材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量,但還很少應(yīng)用于流體領(lǐng)域。由于3ω法具有良好的測(cè)試性能,為此嘗試將此法用于流體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量。自行研制了流體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量裝置,采用鎖相放大器獲取3ω電壓與頻率的關(guān)系,并借助最小二乘法,算出待測(cè)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。通過對(duì)10#變壓器油和去離子水等流體試樣的測(cè)量,實(shí)驗(yàn)誤差控制在5%之內(nèi),表明本實(shí)驗(yàn)具有一定的可行性。
【作者單位】： 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教育部MEMS重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教育部MEMS重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教育部MEMS重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教育部MEMS重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教育部MEMS重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
【關(guān)鍵詞】： ω法 流體 導(dǎo)熱系數(shù) 溫度振動(dòng)
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50506008)
【分類號(hào)】：TB94
【DOI】：CNKI:SUN:SYCS.0.2007-04-002
Thermal conductivity of fluids measured 、vith 3oJ method
GE Shu—lin，Y_ANG Jue—kuan，CHEN Zhen，CHEN Min—hua，CHEN Yun-fei
(School of Mechanical Engineering，Key Laboratory of Educational Ministry，Southeast University，Nanjing 211189，China)
Abstract：While successfully used in measuring the thermal properties of solid material，such flS bulk samples and
thin films， 3to method iS seldom applied to the fluid．Due to its good performance， the 3to method is tried to measure the therm al conductivity of the fluid in this paper．Using the home made device，the relationship between the 3to voltage and the heating frequency is obtained by Iz~ck-in Amplifier，thus the thermal conductivity of the fluid iS calculated with the least square fit method．From the results of 10# transfoFiller oil and deionized water．the error is limited to 5％ ．which indicates the definite feasibility of the experiment．
Key words：3ω voltage；Fluid；Thermal conductivity；Temperature fluctuation
【正文快照】：
1引言
由于傳統(tǒng)的純液體換熱工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)較低,很難滿足一些特殊條件下的傳熱和冷卻要求,Choi等通過在液體中添加一定方式和比例的納米固體粒子,形成納米流體,來提高工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)[1]。納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的大小與納米顆粒的種類、體積份額、尺度等因素相關(guān),為了探究納米流體的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，其導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量顯得至關(guān)重要。測(cè)量方法通常分為兩大類，即穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法，如同軸圓柱法和平板法，一般通過測(cè)量溫度與
空問的坐標(biāo)關(guān)系，求出導(dǎo)熱系數(shù)，但測(cè)量時(shí)需要對(duì)裝置做精密的保護(hù)，以減少對(duì)流和輻射的影響；熱線法是一種常用的瞬態(tài)法，主要通過測(cè)量指定位置上溫度與時(shí)間的關(guān)系，求出導(dǎo)熱系數(shù)，但為了避免自然對(duì)流的影響，測(cè)量時(shí)問需嚴(yán)格控制在前幾秒鐘之內(nèi) 。
3ω法是由Cahill首先提出并用來測(cè)量體態(tài)和薄膜等材料導(dǎo)熱系數(shù)的有效方法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于超晶格薄膜等的測(cè)量，但還很少應(yīng)用于流體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量。3ω法主要通過測(cè)量指定位置上溫度與頻率的關(guān)系，求出導(dǎo)熱系數(shù)。采用3ω法測(cè)量流體導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，溫度振動(dòng)可以控制在lK之內(nèi)，可以有效地減小對(duì)流和輻射的影響。對(duì)3ω法測(cè)量流體導(dǎo)熱系數(shù)的研究，不僅為流體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量提供了一種新的可行方法，而且還完善了3ω法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的研究體系。Norman[6J，Moon 在用此法研究液體的比熱譜時(shí)，也試測(cè)了幾種液體的導(dǎo)熱系數(shù)；Feng Chen在2004年采用此法測(cè)量了3M Fluorinert FC77液體的導(dǎo)熱系數(shù)，其結(jié)果與參考值吻合得較好罔。
本文作者自制了流體導(dǎo)熱系數(shù)的3ω法測(cè)量裝置，對(duì)已有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熱系數(shù)的1 變壓器油和去離子水等流體進(jìn)行了多次反復(fù)測(cè)量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)的相關(guān)問題做了較為詳細(xì)的分析。
2 實(shí)驗(yàn)原理
2．1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介
3 實(shí)驗(yàn)過程
3．1 電阻溫度關(guān)系測(cè)量
4 數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在采用3ω法測(cè)量體態(tài)或薄膜材料時(shí)，只需利用3o9電壓與頻率對(duì)數(shù)值的線性擬合斜率，來計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，因此，即使存在系統(tǒng)誤差也不會(huì)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量有很大影響；然而在測(cè)量流體時(shí)，3o9電壓與頻率的關(guān)系是非線性的，所以在擬合計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)之前必須減去系統(tǒng)誤差。
5 結(jié)束語(yǔ)
利用自制的3ω法流體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，對(duì)變壓器油和去離子水等流體試樣進(jìn)行了多次反復(fù)測(cè)量，從測(cè)量結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)誤差控制在5％之內(nèi)，成功實(shí)現(xiàn)了采用3 法測(cè)量流體導(dǎo)熱系數(shù)的嘗試。在實(shí)驗(yàn)過程中，△ 值不超過0．6K，可以有效的避免對(duì)流傳熱和輻射傳熱的影響，并且測(cè)量時(shí)間不必受到嚴(yán)格限制。實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因還需作進(jìn)一步探索，以提高本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度和通用
性。
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