3ω法測量流體的導熱系數
葛樹林 楊決寬 陳震 陳敏華 陳云飛
【摘要】：3ω法已成功應用于體態、薄膜等材料導熱系數的測量,但還很少應用于流體領域。由于3ω法具有良好的測試性能,為此嘗試將此法用于流體導熱系數的測量。自行研制了流體導熱系數的測量裝置,采用鎖相放大器獲取3ω電壓與頻率的關系,并借助最小二乘法,算出待測試樣的導熱系數。通過對10#變壓器油和去離子水等流體試樣的測量,實驗誤差控制在5%之內,表明本實驗具有一定的可行性。
【作者單位】： 東南大學機械工程學院教育部MEMS重點實驗室 東南大學機械工程學院教育部MEMS重點實驗室 東南大學機械工程學院教育部MEMS重點實驗室 東南大學機械工程學院教育部MEMS重點實驗室 東南大學機械工程學院教育部MEMS重點實驗室
【關鍵詞】： ω法 流體 導熱系數 溫度振動
【基金】：國家自然科學基金資助項目(50506008)
【分類號】：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
由于傳統的純液體換熱工質導熱系數較低,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,來提高工質的導熱系數[1]。納米流體導熱系數的大小與納米顆粒的種類、體積份額、尺度等因素相關,為了探究納米流體的強化傳熱機理，其導熱系數的測量顯得至關重要。測量方法通常分為兩大類，即穩態法和瞬態法。穩態法，如同軸圓柱法和平板法，一般通過測量溫度與
空問的坐標關系，求出導熱系數，但測量時需要對裝置做精密的保護，以減少對流和輻射的影響；熱線法是一種常用的瞬態法，主要通過測量指定位置上溫度與時間的關系，求出導熱系數，但為了避免自然對流的影響，測量時問需嚴格控制在前幾秒鐘之內 。
3ω法是由Cahill首先提出并用來測量體態和薄膜等材料導熱系數的有效方法，現已廣泛應用于超晶格薄膜等的測量，但還很少應用于流體導熱系數的測量。3ω法主要通過測量指定位置上溫度與頻率的關系，求出導熱系數。采用3ω法測量流體導熱系數時，溫度振動可以控制在lK之內，可以有效地減小對流和輻射的影響。對3ω法測量流體導熱系數的研究，不僅為流體導熱系數的測量提供了一種新的可行方法，而且還完善了3ω法測量導熱系數的研究體系。Norman[6J，Moon 在用此法研究液體的比熱譜時，也試測了幾種液體的導熱系數；Feng Chen在2004年采用此法測量了3M Fluorinert FC77液體的導熱系數，其結果與參考值吻合得較好罔。
本文作者自制了流體導熱系數的3ω法測量裝置，對已有標準導熱系數的1 變壓器油和去離子水等流體進行了多次反復測量，并對實驗過程和數據處理中出現的相關問題做了較為詳細的分析。
2 實驗原理
2．1 實驗簡介
3 實驗過程
3．1 電阻溫度關系測量
4 數據處理及實驗結果
在采用3ω法測量體態或薄膜材料時，只需利用3o9電壓與頻率對數值的線性擬合斜率，來計算導熱系數，因此，即使存在系統誤差也不會對導熱系數的測量有很大影響；然而在測量流體時，3o9電壓與頻率的關系是非線性的，所以在擬合計算導熱系數之前必須減去系統誤差。
5 結束語
利用自制的3ω法流體導熱系數測量裝置，對變壓器油和去離子水等流體試樣進行了多次反復測量，從測量結果可以看出，實驗誤差控制在5％之內，成功實現了采用3 法測量流體導熱系數的嘗試。在實驗過程中，△ 值不超過0．6K，可以有效的避免對流傳熱和輻射傳熱的影響，并且測量時間不必受到嚴格限制。實驗中系統誤差產生的原因還需作進一步探索，以提高本實驗的測量精度和通用
性。
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