【摘 要】
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热电偶测量高温气体温度时,测量温度为热电偶节点温度。热电偶节点与周围环境存在辐射换热,与高温气体存在对流换热与辐射换热,与热电偶线存在热传导,这些换热共同决定了热电偶节点的温度。节点与热电偶线的热传导与热电偶线温度有关,而热电偶线温度由其自身的能量平衡决定:热电偶线与周围环境亦存在辐射换热,与周围气体存在对流换热与辐射换热。因此,热电偶节点温度不仅取决于节点周围流场参数,亦受附近热电偶线周围的流场
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热电偶测量高温气体温度时,测量温度为热电偶节点温度。热电偶节点与周围环境存在辐射换热,与高温气体存在对流换热与辐射换热,与热电偶线存在热传导,这些换热共同决定了热电偶节点的温度。节点与热电偶线的热传导与热电偶线温度有关,而热电偶线温度由其自身的能量平衡决定:热电偶线与周围环境亦存在辐射换热,与周围气体存在对流换热与辐射换热。因此,热电偶节点温度不仅取决于节点周围流场参数,亦受附近热电偶线周围的流场参数影响。当然,影响节点温度的流场范围是有限的,当超过这一范围时,流场的温度变化对节点温度的影响可以忽略,这个影响范围我们称之为影响长度。对影响长度的研究对于实际测温具有重大的工程和科学意义。基于热电偶一维传热程序,数值研究了两种温度场结构(恒定来流温度场与正弦分布来流温度场)下,裸线热电偶节点温度造成影响的影响长度。同时通过肋片假设,将热电偶节点视为肋基,热电偶线视为肋片,推导出了影响长度的解析表达式。解析解表明影响长度与热电偶线直径、总换热系数(辐射换热系数与对流换热系数之和)、热电偶材料的热导率相关。对于恒温来流温度场,解析解与数值解吻合较好;对于正弦分布温度场,影响长度亦与直径、热导率及换热系数有关,来流温度波动幅度、周期及初相位则对该长度无影响。较细的热电偶或热电偶处于高速流场中,裸线热电偶无法独立支撑,在测温过程中需要使用陶瓷管对其进行保护,仅露出较短的热电偶线。此时,陶瓷管的存在对影响长度有明显的影响。开发了带陶瓷管的热电偶一维传热程序,并采用精准的三维CFD模拟结果对程序进行了精度验证,对比表明一维程序计算的节点温度偏离CFD结果最大不超过11K。使用一维程序研究了热电偶节点伸出陶瓷管长度以及陶瓷管热导率、发射率及外径尺寸等对节点温度的影响。当热电偶线伸出陶瓷管长度超过裸线热电偶的影响长度时,陶瓷管的存在不影响节点温度和影响长度。但伸出长度小于裸线影响长度时,伸出越短,热电偶的温度越低。陶瓷管热导率及发射率影响陶瓷管温度分布,而该温度分布对节点温度影响可忽略;陶瓷管外径影响端面边界层厚度,进而影响了伸出陶瓷管热电偶线的对流换热系数,从而对节点温度产生影响。陶瓷管的存在增大了热电偶的影响长度,考虑陶瓷管存在,对裸线热电偶的影响长度公式做了变形,计算的理论影响长度与仿真结果误差不超过12%。
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