6先进热工测试技术

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1、“先进热工测试技术”教学实验指导书（试用）教学实验编号：（可不填）教学实验名称：先进热工测试技术（中文）AdvanceThermalEngineeringTestingLaboratory（英文）学分/学时：4学时适用专业：热工、机械类先修课程和环节：无一、实验目的1.让同学们通过实验，掌握液晶测温原理、标定方法和实际应用。2.掌握和红外测温原理，使用及实际操作。3.了解PIV测量二维速度场的原理和应用。二、实验内容及基本原理1、实验内容（1）应用PIV测速实验台测得二维的流场（演示）。（2）对红外和液晶分别进行标定。（3）应用液晶测量冲击冷却、自然

2、对流圆柱体、自然对流平板及搅拌槽中的温度场。（4）应用红外测量计算机箱内部、肋片、辐射平板以及流体中的温度场。2、液晶测温的原理液晶是对介于液态和固态之间状态的一种中间相的一些有机化合物的称呼。液晶材料根据其分子结构可以分为三种：近晶型液晶、向列型液晶和胆甾型液晶。不同类的液晶在不同的电磁场、应力、压力和温度场影响下，其分子的排列是不一样的。在液晶相状态下，分子失去了位序但保留了相序。相序使得液晶显示出晶体的某些光学性质，而缺乏位序则使之呈现出液态流动性。图1.1(a),图1.1(b)和图1.2分别描述了近晶相和向列相及向列相液晶分子的分子取向。图1

3、.1.(a)近晶相图1.1.(b)向列相图1.2向列相大多数胆甾型液晶表现为它们的颜色是随着温度的变化而变化，并且这种变化是可逆的，因此可用于传热和流动的研究。因为它们的颜色随温度变化，因此胆甾型液晶又被称为热色液晶。热色液晶颜色发生变化时，在低温段显示红色，之后出现绿色，最后出现波长最短的蓝色。之所以如此与液晶温度变化的原理即液晶的分子结构变化很有关系。参阅图1.1，观察者能看到向列相液晶分子的排布。液晶显示的颜色和液晶分子旋向的螺距、入射光的入射角度和光谱范围，以及相对观察者的位置等有关。根据Bragg法则，如果入射光垂直分子层面入射，且分子层距

4、等于光入射的半波长，那么将会出现等幅波的干涉现象。因此，入射光中波长等于分子层距即螺距的光，就会被选择性地反射。如果入射光不垂直于分子层面，那么液晶分子反射波长是,其中τ是入射光与分子层面间的夹角。因此，液晶颜色和入射光的入射角度是很有关系的。同时，由于液晶反射的波长和螺距有关，而螺距是温度的函数，和温度成反方向的关系，即红色温度低，而蓝色温度高；然而红色波长长，蓝色波长短。之所以如此是与液晶从近晶相向向列相转变过程中的分子螺距变化有关。根据文献的进一步解释，液晶分子分层而整齐地排列着，每一层中的分子长轴互相平行，且平行于层面。当不同层的分子长轴排列

5、沿螺旋方向（左旋或右旋）经历360o的变化之后，又回到初始取向，这个周期性的层间距称为热色液晶的螺距P，P随着温度的改变而变化。当用一束白光照射液晶层状结构时，液晶对光波的选择反射与P密切相关，其关系式中定义为：(2-5)式中：λMax为最大反射光的波长，nm；θ1为入射角，θ2为反射角，(o)；n为该液晶的折射率。当固定θ1和θ2时，则液晶显示的颜色将只随P，即液晶显示颜色将只随温度的变化而变化。热色液晶通常以水浆的形式存在，而对于液晶来说，污染、溶剂、极端温度、紫外线都能导致其分解，因此通常采用两种方法保护使用，一种是微胶囊法，另外一种则是把液晶

6、和多分子粘合剂混合，用喷、涂、浸泡等手段使其在物体表面形成涂层。并且发现，将液晶喷涂于以黑色为背景的表面时随温度变化可获得较亮的颜色图像。另外，液晶层的厚度必须小心地加以控制。如果涂层太薄，则色彩太弱，而涂层太厚则会导致乳白斑的形成，对温度的响应时间长。综上所述，液晶随着温度的不同会显示出不同的颜色，通常在温度区间的下边界处显示红色，而在上边界显示蓝色，温度区间之外没有颜色变化，因而液晶在精确标定的基础之上可用来作为温度的准确量度。它可以被涂在一个表面上，或是将液晶粒子悬浮于流体之中，我们便可以观察到一个可见的温度分布。3、红外测温的原理一切温度高于

7、绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐

8、射理论的出发点，故称黑体辐射定律。自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波