熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法
【專(zhuān)利摘要】一種熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：底座上設(shè)置有透明的水槽，水槽內(nèi)前側(cè)壁和后側(cè)壁中心位置設(shè)置有儲(chǔ)水管，儲(chǔ)水管的頂部設(shè)置有與儲(chǔ)水管相聯(lián)通的注水管水槽后側(cè)外的底座上設(shè)置有光屏、前側(cè)外的底座上設(shè)置有位于儲(chǔ)水管中軸線(xiàn)上的激光器支架，激光器支架上設(shè)置有位于以?xún)?chǔ)水管的中軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)的正方形4個(gè)頂角位置的4個(gè)半導(dǎo)體激光器，4個(gè)半導(dǎo)體激光器輸出的激光束透過(guò)水槽的前側(cè)壁沿儲(chǔ)水管外壁，從水槽后側(cè)壁透過(guò)投射在光屏上，形成位于正方形4個(gè)頂角上的4個(gè)光點(diǎn)；本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、攜帶方便、演示直觀、演示效果好等優(yōu)點(diǎn)，適用于傳熱學(xué)教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及梯度溫度場(chǎng)傳熱的實(shí)驗(yàn)儀器或裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]傳熱學(xué)是研究溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，由于自然界和生產(chǎn)技術(shù)中到處存在著促使熱量傳遞的溫差，傳熱學(xué)理論在自然界及各個(gè)領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。溫差是熱傳遞的驅(qū)動(dòng)力，而溫度梯度的大小和方向，決定了熱傳遞速度的大小與方向。熱體近表面梯度溫度場(chǎng)分布的研究，主要是確定其梯度溫度場(chǎng)的大小和方向。熱體近表面梯度溫度場(chǎng)分布動(dòng)態(tài)顯示的傳統(tǒng)方法，采用溫度傳感器測(cè)量描繪出熱體近表面的等溫線(xiàn)，以此確定不同位置溫度梯度的大小和方向；基于測(cè)量數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。但這都是在測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)的后續(xù)處理得到。無(wú)法實(shí)現(xiàn)梯度溫度場(chǎng)大小與方向的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)；同時(shí)在熱體近表面，溫度梯度往往較大，即在非常小的距離內(nèi)溫度變化很大，而受溫度傳感探頭尺寸的限制，使得溫度數(shù)據(jù)采集非常困難甚至不可能。作為傳熱學(xué)研究的基本問(wèn)題之一，實(shí)現(xiàn)熱體近表面梯度溫度場(chǎng)大小與方向的同步實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，在傳熱學(xué)的教學(xué)中具有重要意義，但目前還沒(méi)有見(jiàn)到這類(lèi)實(shí)驗(yàn)演示儀器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、演示直觀、演示效果好的熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置。
[0004]本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于提供一種使用提供一種使用熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)演示方法。
[0005]解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:在底座上設(shè)置有透明的水槽，水槽內(nèi)前側(cè)壁和后側(cè)壁中心位置設(shè)置有儲(chǔ)水管，儲(chǔ)水管的頂部設(shè)置有與儲(chǔ)水管內(nèi)相聯(lián)通的注水管，水槽后側(cè)外的底座上設(shè)置有光屏、前側(cè)外的底座上設(shè)置有位于儲(chǔ)水管中軸線(xiàn)上的激光器支架，激光器支架上設(shè)置有位于以?xún)?chǔ)水管的中軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)的正方形個(gè)頂角位置的個(gè)半導(dǎo)體激光器，4個(gè)半導(dǎo)體激光器輸出的激光束透過(guò)水槽的前側(cè)壁沿儲(chǔ)水管外壁，從水槽后側(cè)壁透過(guò)投射在光屏上，形成位于正方形4個(gè)頂角上的4個(gè)光點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的儲(chǔ)水管的幾何形狀為圓管形，圓管形的中軸線(xiàn)與水槽的前后側(cè)壁垂直。
[0007]本發(fā)明的的4個(gè)半導(dǎo)體激光器輸出的激光束中軸線(xiàn)與儲(chǔ)水管外壁的距離等于激光束在該處截面的半徑長(zhǎng)度。
[0008]使用上述的熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法由下述步驟組成:
[0009]1、在水槽中加滿(mǎn)自來(lái)水，接通4個(gè)半導(dǎo)體激光器的電源，調(diào)整4個(gè)半導(dǎo)體激光器的位置，觀察自來(lái)水中激光束的徑跡，使激光束緊貼儲(chǔ)水管外壁，投射在光屏上，在光屏上標(biāo)示出4個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置。
[0010]2、從注水管加入80?90 0C的熱水到儲(chǔ)水管，直至加滿(mǎn)，觀察光屏上4個(gè)激光投射光點(diǎn)的形狀變化與移動(dòng)情況;光屏上的4個(gè)激光投射光點(diǎn)同時(shí)沿著與儲(chǔ)水管外壁垂直的方向向外輻射狀擴(kuò)展，形成4個(gè)輻射狀一字形光斑，4個(gè)一字形光斑的擴(kuò)展方向和長(zhǎng)度大小，顯示了靠近儲(chǔ)水管2壁外表面處自來(lái)水中的溫度梯度方向與溫度梯度大小。
[0011]3、在儲(chǔ)水管中加滿(mǎn)自來(lái)水，接通4個(gè)半導(dǎo)體激光器的電源，調(diào)整4個(gè)半導(dǎo)體激光器的位置，使激光束緊貼儲(chǔ)水管外壁，投射在光屏上，在光屏上標(biāo)示出4個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置。
[0012]4、在水槽中加滿(mǎn)溫度80?90°C的熱水，觀察光屏上4個(gè)激光投射光點(diǎn)的形狀變化與移動(dòng)情況，光屏上4個(gè)激光投射光點(diǎn)同時(shí)沿著與儲(chǔ)水管壁垂直的方向向儲(chǔ)水管中軸線(xiàn)方向擴(kuò)展，形成4個(gè)向內(nèi)收縮的一字形光斑，4個(gè)一字形光斑的擴(kuò)展方向和長(zhǎng)度大小，顯示了這時(shí)儲(chǔ)水管壁外表面附近熱水中溫度梯度方向與溫度梯度大小。
[0013]本發(fā)明將反映儲(chǔ)水管內(nèi)水與包圍儲(chǔ)水管的長(zhǎng)方體水槽中的水之間的熱交換過(guò)程的管壁附近水中梯度溫度場(chǎng)的大小和方向，用通過(guò)管壁附近水中的激光束偏折角的大小、偏折方向來(lái)顯現(xiàn)。激光束偏折角的大小、偏折方向又通過(guò)光屏上激光投射光點(diǎn)的形狀、擴(kuò)展方向，即通過(guò)從原始光點(diǎn)到形成輻射狀的一字形光斑，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)水管壁附近梯度溫度場(chǎng)的大小及溫度梯度方向的實(shí)時(shí)可視化。
[0014]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、攜帶方便、演示直觀、演示效果好等優(yōu)點(diǎn)，適用于傳熱學(xué)教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是圖1的俯視圖。
[0017]圖3是圖1的左視圖。
[0018]圖4是實(shí)施例1中位于一個(gè)正方形4個(gè)頂角上的投射光點(diǎn)照片。
[0019]圖5是實(shí)施例1中四個(gè)輻射狀一字形光斑照片。
[0020]圖6是實(shí)施例1中四個(gè)收縮狀一字形光斑照片。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于下述的實(shí)施例。
[0022]實(shí)施例1
[0023]在圖1、2、3中，本實(shí)施例的熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置由水槽1、儲(chǔ)水管2、注水管3、底座4、光屏5、激光器支架6、半導(dǎo)體激光器7聯(lián)接構(gòu)成。
[0024]在底座4上放置有水槽I，水槽I為透明的長(zhǎng)方體水槽I，水槽I內(nèi)的前側(cè)壁和后側(cè)壁的中心位置用光學(xué)膠粘接有儲(chǔ)水管2，儲(chǔ)水管2的幾何形狀為圓管形，儲(chǔ)水管2的中軸線(xiàn)與水槽I的前側(cè)壁和后側(cè)壁垂直，儲(chǔ)水管2采用石英玻璃制成，也可采用有機(jī)玻璃制成。儲(chǔ)水管2的頂部中心位置用膠粘接有注水管3，注水管3與儲(chǔ)水管2內(nèi)相聯(lián)通，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)注水管3向儲(chǔ)水管2內(nèi)加水。水槽I后側(cè)外的底座4上放置有光屏5，光屏5用于成像。水槽I前側(cè)外的底座4上放置有激光器支架6，激光器支架6位于儲(chǔ)水管2的前側(cè)面中軸線(xiàn)上。激光器支架6上用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接安裝有4個(gè)半導(dǎo)體激光器7，4個(gè)半導(dǎo)體激光器7位于以?xún)?chǔ)水管2的中軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)的一個(gè)正方形的4個(gè)頂角位置，4個(gè)半導(dǎo)體激光器7輸出的激光束透過(guò)水槽I的前側(cè)壁沿儲(chǔ)水管2外壁從水槽I的后側(cè)壁透過(guò)投射在光屏5上，激光束的中軸線(xiàn)與所在處儲(chǔ)水管2外壁的距離等于激光束在該處截面的半徑長(zhǎng)度，投射在光屏5上的4個(gè)光點(diǎn)，位于如圖4所示的一個(gè)正方形的4個(gè)頂角上。
[0025]使用上述熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法步驟如下:
[0026]1、在水槽I中加滿(mǎn)自來(lái)水，接通4個(gè)半導(dǎo)體激光器7的電源，調(diào)整4個(gè)半導(dǎo)體激光器7的位置，觀察自來(lái)水中激光束的徑跡，使激光束緊貼儲(chǔ)水管2外壁，投射在光屏5上，在光屏5上標(biāo)示圖4所示的4個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置。
[0027]2、從注水管3加入80?90°C的熱水到儲(chǔ)水管2，直至加滿(mǎn)，觀察光屏5上4個(gè)激光投射光點(diǎn)的形狀變化與移動(dòng)情況。光屏5上的4個(gè)激光投射光點(diǎn)同時(shí)沿著與儲(chǔ)水管2外壁垂直的方向向外輻射狀擴(kuò)展，形成如圖5所示的4個(gè)輻射狀一字形光斑。4個(gè)一字形光斑的擴(kuò)展方向和一字形的長(zhǎng)度大小，顯示了靠近儲(chǔ)水管2壁外表面處自來(lái)水中的溫度梯度方向與溫度梯度大小。
[0028]3、在儲(chǔ)水管2中加滿(mǎn)自來(lái)水，接通4個(gè)半導(dǎo)體激光器7的電源，調(diào)整4個(gè)半導(dǎo)體激光器7的位置，使激光束緊貼儲(chǔ)水管2外壁，投射在光屏5上，在光屏5上標(biāo)示圖4所示的4個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置。
[0029]4、在水槽I中加滿(mǎn)溫度80?90 °C的熱水，觀察光屏5上4個(gè)激光投射光點(diǎn)的形狀變化與移動(dòng)情況。光屏5上4個(gè)激光投射光點(diǎn)同時(shí)沿著與儲(chǔ)水管2壁垂直的方向向儲(chǔ)水管2中軸線(xiàn)方向擴(kuò)展，形成圖6所示的4個(gè)向內(nèi)收縮的一字形光斑，4個(gè)一字形光斑的擴(kuò)展方向和一字形的長(zhǎng)度大小，顯示了這時(shí)儲(chǔ)水管2壁外表面附近熱水中溫度梯度方向與溫度梯度大小。
[0030]本發(fā)明的工作原理如下:
[0031]本發(fā)明通過(guò)在儲(chǔ)水管2內(nèi)與包圍儲(chǔ)水管2的長(zhǎng)方體水槽I中充滿(mǎn)不同溫度的水，在儲(chǔ)水管2管壁兩側(cè)建立溫差，以此觀測(cè)儲(chǔ)水管2管壁熱傳導(dǎo)過(guò)程中儲(chǔ)水管2管壁外水中的梯度溫度場(chǎng)。長(zhǎng)方體水槽I與儲(chǔ)水管2內(nèi)不同溫度水之間通過(guò)管壁熱傳遞的快慢，由管壁附近溫度梯度的大小和方向決定。管壁兩側(cè)附近的水中出現(xiàn)溫度梯度，說(shuō)明管壁兩側(cè)不同溫度的水通過(guò)管壁已經(jīng)將熱量傳遞到溫度較低的一側(cè)。管壁兩側(cè)的溫差越大，管壁兩側(cè)附近的溫度梯度越大，單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量越多，即傳熱速度越快。
[0032]管壁附近水中的梯度溫度場(chǎng)，形成了相應(yīng)的梯度折射率場(chǎng)。水溫高處折射率小，水溫低處折射率大。由于光線(xiàn)在梯度折射率場(chǎng)中傳輸時(shí)向折射率大的區(qū)域偏折，折射率梯度越大，光線(xiàn)的偏折角度越大。因此，在激光束通過(guò)管壁附近水中的梯度溫度場(chǎng)時(shí)，向水溫較低的區(qū)域偏折。由于可以認(rèn)為激光束是由許多平行光線(xiàn)集合而成，在同一激光束中不同光線(xiàn)通過(guò)管壁外側(cè)附近水中的溫度梯度不同，越靠近管壁，水中的溫度梯度越大，因此激光束中靠近管壁處的光線(xiàn)，在儲(chǔ)水管2內(nèi)是熱水的情況下，向離開(kāi)管壁并與管壁垂直的方向的偏折角最大，激光束中離管壁距離最大的光線(xiàn)的偏折角最小;在長(zhǎng)方體水槽I中是熱水的情況下，激光束中靠近管壁處的光線(xiàn)，向靠近管壁并與管壁垂直的方向的偏折角最大，激光束中離管壁距離最大的光線(xiàn)的偏折角最小。由于激光束中不同光線(xiàn)的偏折角大小不同，因此，在儲(chǔ)水管2內(nèi)和長(zhǎng)方體水槽I能加入不同溫度的水后，熱量通過(guò)管壁傳導(dǎo)到溫度較低的水中時(shí)，原先光屏5上的4個(gè)光點(diǎn)就向離開(kāi)(或者靠近)管壁，并與管壁垂直的方向擴(kuò)展為4個(gè)輻射狀的一字形光斑。通過(guò)儲(chǔ)水管2管壁外側(cè)不同位置的激光束在光屏5上投射光點(diǎn)的擴(kuò)展方向，即為儲(chǔ)水管2內(nèi)和長(zhǎng)方體水槽I內(nèi)不同溫度水之間的熱傳遞的方向，也就是儲(chǔ)水管2管壁附近溫度場(chǎng)的梯度方向。4個(gè)一字形光斑長(zhǎng)度的大小，顯示了儲(chǔ)水管2管壁附近溫度場(chǎng)的梯度大小。本發(fā)明正是基于上述原理過(guò)程，通過(guò)觀察光屏5上光點(diǎn)形狀的變化，實(shí)現(xiàn)了熱體近表面梯度溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:在底座(4)上設(shè)置有透明的水槽(I)，水槽(I)內(nèi)前側(cè)壁和后側(cè)壁中心位置設(shè)置有儲(chǔ)水管(2)，儲(chǔ)水管(2)的頂部設(shè)置有與儲(chǔ)水管(2)內(nèi)相聯(lián)通的注水管(3)，水槽(I)后側(cè)外的底座(4)上設(shè)置有光屏(5)、前側(cè)外的底座(4)上設(shè)置有位于儲(chǔ)水管(2)中軸線(xiàn)上的激光器支架(6)，激光器支架(6)上設(shè)置有位于以?xún)?chǔ)水管(2)的中軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)的正方形4個(gè)頂角位置的4個(gè)半導(dǎo)體激光器(7)，4個(gè)半導(dǎo)體激光器(7)輸出的激光束透過(guò)水槽(I)的前側(cè)壁沿儲(chǔ)水管(2)外壁，從水槽(I)后側(cè)壁透過(guò)投射在光屏(5)上，形成位于正方形4個(gè)頂角上的4個(gè)光點(diǎn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的儲(chǔ)水管(2)的幾何形狀為圓管形，圓管形的中軸線(xiàn)與水槽(I)的前后側(cè)壁垂直。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的4個(gè)半導(dǎo)體激光器(7)輸出的激光束中軸線(xiàn)與儲(chǔ)水管(2)外壁的距離等于激光束在該處截面的半徑長(zhǎng)度。4.一種使用權(quán)利要求1的熱體近表面梯度溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于由下述步驟組成: (1)在水槽(I)中加滿(mǎn)自來(lái)水，接通4個(gè)半導(dǎo)體激光器(7)的電源，調(diào)整4個(gè)半導(dǎo)體激光器(7)的位置，觀察自來(lái)水中激光束的徑跡，使激光束緊貼儲(chǔ)水管(2)外壁，投射在光屏(5)上，在光屏(5)上標(biāo)示出4個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置； (2)從注水管(3)加入80?900C的熱水到儲(chǔ)水管(2)，直至加滿(mǎn)，觀察光屏(5)上4個(gè)激光投射光點(diǎn)的形狀變化與移動(dòng)情況;光屏(5)上的4個(gè)激光投射光點(diǎn)同時(shí)沿著與儲(chǔ)水管(2)夕卜壁垂直的方向向外輻射狀擴(kuò)展，形成4個(gè)輻射狀一字形光斑，4個(gè)一字形光斑的擴(kuò)展方向和長(zhǎng)度大小，顯示了靠近儲(chǔ)水管(2)壁外表面處自來(lái)水中的溫度梯度方向與溫度梯度大??； (3)在儲(chǔ)水管(2)中加滿(mǎn)自來(lái)水，接通4個(gè)半導(dǎo)體激光器(7)的電源，調(diào)整4個(gè)半導(dǎo)體激光器(7)的位置，使激光束緊貼儲(chǔ)水管(2)外壁，投射在光屏(5)上，在光屏(5)上標(biāo)示出4個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置； (4)在水槽(I)中加滿(mǎn)溫度80?90°C的熱水，觀察光屏(5)上4個(gè)激光投射光點(diǎn)的形狀變化與移動(dòng)情況，光屏(5)上4個(gè)激光投射光點(diǎn)同時(shí)沿著與儲(chǔ)水管(2)垂直的方向向儲(chǔ)水管(2)中軸線(xiàn)方向擴(kuò)展，形成4個(gè)向內(nèi)收縮的一字形光斑，4個(gè)一字形光斑的擴(kuò)展方向和長(zhǎng)度大小，顯示了這時(shí)儲(chǔ)水管2壁外表面附近熱水中溫度梯度方向與溫度梯度大小。
【文檔編號(hào)】G09B23/16GK106057035SQ201610616880
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月30日
【發(fā)明人】張宗權(quán), 耿玉, 徐銘, 時(shí)俊仙, 田玉龍
【申請(qǐng)人】陜西師范大學(xué)