本發(fā)明屬于無接觸場信息測量，尤其涉及一種微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化試驗(yàn)段、測量系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)：

1、無接觸場信息測量，又稱非接觸測量(non-contact?measurement)，通常指的是在不與被測物體直接接觸的情況下，通過特定的技術(shù)手段獲取被測對象周圍氣體流動(dòng)的速度場與溫度場等信息的方法；這種方法不需向流場內(nèi)增加探頭等設(shè)備，干擾氣體流動(dòng)及換熱環(huán)境，得到的測量結(jié)果更加精準(zhǔn)，目前，這種方法多以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)測量、科學(xué)研究及日常檢測中。

2、目前無接觸場信息測量儀器主要有：紋影儀、粒子圖像測速(piv)、濾波瑞利散射儀(frs)等，但這些光學(xué)儀器基本都需要透射光路或正交光路用來捕捉某一流通截面或者三維場信息。因此，為對棒式管束結(jié)構(gòu)繞流溫度場與速度場進(jìn)行無接觸測量，需考慮如何均勻又無遮擋的實(shí)現(xiàn)管壁恒定熱流的施加，目前主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：

3、(1)管內(nèi)通熱流體加熱管束

4、一般換熱器宏觀數(shù)據(jù)獲取(進(jìn)出口溫度壓力等)通常采取管內(nèi)通熱流體的形式，如此，一方面可以還原換熱器正常工作時(shí)的換熱環(huán)境，另一方面這種方式的加工工藝成熟，市面上有眾多廠家可輔助設(shè)計(jì)加工。但是為保證各管內(nèi)流量分配均勻，并提供恒定熱流，在無接觸場信息測量時(shí)，換熱管束兩端通常需布置集箱，而布置在管束兩端的集箱勢必會阻擋拍攝光路(具體如圖1所示)，就算設(shè)置透明集箱，也會因?yàn)椴ＡЪ庸すに嚮蚣鋬?nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)等因素影響光路拍攝效果。

5、(2)管內(nèi)埋加熱棒加熱管束

6、管內(nèi)埋加熱棒作為內(nèi)熱源與管壁直接通電用焦耳熱的方式加熱管束，這種內(nèi)置加熱棒做內(nèi)熱源可以以高電阻發(fā)熱絲作為熱源，一定程度上可以保證相同加熱功率單管電流小，因此所需連接導(dǎo)線直徑要求低，可極大限度保留光路。目前，已有團(tuán)隊(duì)采用這種方式進(jìn)行管束加熱實(shí)驗(yàn)。但是加熱棒的加工需要考慮內(nèi)部電阻絲與不銹鋼外壁之間需要絕緣，以避免管壁不銹鋼短路影響發(fā)熱效果。受此限制，加熱管直徑通常需大于3mm。

7、(3)管壁直接通電加熱管束

8、對不銹鋼管進(jìn)行直接加熱作為新型載熱方式之一，已被眾多科研團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用在不銹鋼管流動(dòng)傳熱過程研究中，通過對不銹鋼管兩端通低電壓高電流的方式使不銹鋼管釋放焦耳熱，提供恒定的熱流環(huán)境。但這種方式存在的問題為不銹鋼相較電熱絲電阻較小，因此施加相同熱流密度需較高電流，為避免銅導(dǎo)線發(fā)熱過高，通常需要采用較粗的銅導(dǎo)線進(jìn)行連接。且以往研究多專注于單管或多管換熱試驗(yàn)。此外，為避免接觸電阻，多需加工截面積較大的夾具進(jìn)行固定，這種安裝方式會極大程度影響管束布置與拍攝視窗。

9、綜上可知：目前換熱器管束可視化測量難點(diǎn)主要在于：

10、第一，管內(nèi)通熱流體加熱管束的方式需在管兩端布置集箱，影響相機(jī)拍攝光路；

11、第二，管內(nèi)埋加熱棒加熱管束的方式受限于加工工藝影響，只適用于3mm以上的管徑；

12、第三，管壁直接通電加熱管束的方式采用的銅導(dǎo)線較粗，且需要夾具固定，影響管束布置與拍攝視窗。

13、目前，針對更小管徑管束的可視化實(shí)驗(yàn)，由于載熱方式的難實(shí)現(xiàn)，大多團(tuán)隊(duì)多采取模擬手段或只研究單管/流動(dòng)場方式對小管束周圍場信息進(jìn)行分析。如上海交通大學(xué)周少東針對10mm管束間流動(dòng)傳熱過程，采取試驗(yàn)?zāi)M結(jié)合的手段進(jìn)行了研究，具體操作為，實(shí)驗(yàn)部分不承擔(dān)加熱工作，只測量繞流流場結(jié)果，用以驗(yàn)證模擬結(jié)果，而后續(xù)溫度場流場耦合施加及后續(xù)分析則通過模擬手段實(shí)現(xiàn)(周少東.過渡流下圓柱列的流動(dòng)、傳熱特性研究[d].上海交通大學(xué)，2017.)。這種方式無法驗(yàn)證溫度差異對流場產(chǎn)生影響的模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，同時(shí)，由于尺度效應(yīng)存在，目前主流模擬算法并未考慮管徑減小對流動(dòng)與傳熱過程所帶來的影響，因此針對小管徑的流動(dòng)傳熱過程是否可以用模擬手段獲取至今仍未達(dá)成共識。

14、此外，南通大學(xué)周杰等人針對1mm管束流動(dòng)過程展開了研究，但受限于加熱邊界施加會影響拍攝光路等困難，該團(tuán)隊(duì)同樣只針對流動(dòng)場信息進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析(周杰,趙亮,史曄,等.中雷諾數(shù)下叉排圓柱列流動(dòng)特性的可視化實(shí)驗(yàn)[j].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019，(03)：98-100+105.doi：10.19356/j.cnki.1001-3997.2019.03.025.)。

15、有鑒于此，特提出本技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對上述存在的技術(shù)問題，提供一種微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化試驗(yàn)段、測量系統(tǒng)及測量方法，在實(shí)現(xiàn)對微細(xì)管束進(jìn)行測量的同時(shí)，改善光路拍攝效果，提高測量準(zhǔn)確度。

2、有鑒于此，本發(fā)明提供一種微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化試驗(yàn)段，包括：

3、主框架，其呈內(nèi)部中空的立方體狀結(jié)構(gòu)，所述主框架的兩端分別設(shè)置連接段，在兩個(gè)連接段之間設(shè)置鏤空段；

4、玻璃板，其設(shè)置在所述鏤空段上，通過所述玻璃板圍合形成透明的測試空間；

5、連接扣，其包括連接條和位于所述連接條兩端的連接支腳，所述連接支腳與所述連接條垂直連接，使得所述連接扣整體呈u形結(jié)構(gòu)，所述連接扣采用導(dǎo)電材質(zhì)制備；

6、在所述玻璃板上設(shè)置第二通孔，所述連接扣的連接支腳穿過所述第二通孔后插入被測量管內(nèi)，將多個(gè)所述被測量管按照設(shè)定的順序連接起來、形成測量用管束；

7、測試時(shí)，對所述被測量管通電，所述被測量管通過釋放焦耳熱形成恒定的熱流環(huán)境。

8、進(jìn)一步的，所述鏤空段通過連接所述的兩個(gè)連接段的四條棱柱形成，所述鏤空段靠近所述連接段的端面與所述連接段貫通，剩余四個(gè)面上分別設(shè)置所述玻璃板。

9、進(jìn)一步的，所述被測量管的電阻大于所述連接扣的電阻，所述連接扣采用銅及其合金制備，所述被測量管為不銹鋼材質(zhì)。

10、進(jìn)一步的，所述連接扣將多個(gè)被測量管串聯(lián)在一起、形成單排管排，之后多個(gè)單排管排并聯(lián)在一起形成測試用管束。

11、進(jìn)一步的，所述連接條的寬度w≤所述被測量管的外徑；在測量時(shí)，通過調(diào)整所述連接條的厚度滿足導(dǎo)電截面積需求。

12、進(jìn)一步的，在所述連接扣中的兩個(gè)連接支腳上設(shè)置外螺紋，在所述被測量管的兩端部分別設(shè)置內(nèi)螺紋，所述連接扣與被測量管螺紋連接。

13、進(jìn)一步的，將位于所述被測量管一端部的連接扣上的外螺紋設(shè)置為正螺紋，另一端的連接扣上的外螺紋設(shè)置為反螺紋。

14、進(jìn)一步的，所述連接扣的表面進(jìn)行做黑處理。

15、一種微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化測量系統(tǒng)，所述可視化測量系統(tǒng)包括上述的微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化試驗(yàn)段。

16、一種微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化測量方法，所述測量方法采用上述的微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。

17、本發(fā)明的有益效果是：

18、第一，本發(fā)明所述的微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化試驗(yàn)段在測量區(qū)域內(nèi)四面開窗，可滿足透射及正交面等多方向打光及拍攝需求，對測量時(shí)光路的影響小，光路可根據(jù)測試需要進(jìn)行靈活設(shè)置；

19、第二，本發(fā)明所述的微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化試驗(yàn)段采用銅制連接扣3代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)線，同時(shí)，為避免遮擋視窗，連接扣3的寬度設(shè)置為與管徑相同，并通過調(diào)整連接扣3的厚度的方式滿足導(dǎo)電截面積，如此，沿管方向無其他光路阻隔，可極大程度保留管間場信息；

20、第三，在本發(fā)明所述的微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化試驗(yàn)段中，相比于不銹鋼管，銅制連接扣3的電阻可忽略不計(jì)，且由于連接扣3和被測量管4之間選用螺紋連接，接觸電阻也低于不銹鋼管的電阻，如此，可在增加安全性的同時(shí)也保證熱量損失少，各管間熱流均勻；

21、第四，本發(fā)明所述的微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化試驗(yàn)段可極大程度地減小測量管徑，可用于1mm以上的小管徑管束管外繞流溫度場與速度場的測量，對展開尺度效應(yīng)影響下管束件流動(dòng)傳熱耦合規(guī)律研究具有巨大推動(dòng)作用；

22、第五，本發(fā)明所述的微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化試驗(yàn)段中，被測量管4的管壁各處均可產(chǎn)熱，可營造熱邊界條件更均勻的測量環(huán)境；

23、第六，本發(fā)明所述的微細(xì)管束換熱器殼側(cè)可視化測量系統(tǒng)及方法可對管束整體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測量，在獲取全場信息的同時(shí)可進(jìn)行宏觀信息收集，還原真實(shí)換熱過程場信息，減少誤差，提高測量精度。