基于温度变化的新型可变流阻的提案与研究

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致密的多孔材质作为一个气动元件有着广泛的工程应用。这样的多孔材质的内部有着很多相互连通的微孔,当流体流过这些微孔时,会在多孔材质的上、下游端之间产生很大的压差(△P)。压差与流量的关系(即△P-G特性)和流阻与流量的关系(即γ-G特性)是两个非常重要的基本特性。这是因为多孔材质的应用,在很大程度上,依赖这两个关系。温度是能够影响这一特性的因素之一,这是因为温度的变化会导致流体的粘性和密度发生改变。在本论文中,我们首先通过实验研究了电磁加热条件下致密的多孔材质的AP-G特性随着加热功率变化的规律。随后,我们通过理论和实验,考察了被电热丝加热的多孔材质的△P-G特性和γ-G特性。我们发现,实际的恒功率△P-G曲线和γ-G曲线总是在常温曲线和对应的绝热曲线之间。热的有效利用率越高,越靠近绝热线;热损耗越多,则越远离绝热线。随着流量的增大,恒功率△P-G曲线和γ-G曲线会不断地趋向于常温线。为了定量地衡量温度对压差、流阻和流阻功耗的影响程度,定义了温度影响因子η。我们发现,当给定加热功率,同时使气流的质量流量从21.53 × 10-5kg/s减小到5.80× 10-5kg/s时,温度影响因子发生了显著的变化,对应的从1.3增加到了 1.7。这意味着,当多孔材质内部流体的温度发生变化时,△P-G和γ-G特性以及流阻功耗会发生显著的变化。同时,我们也讨论了加热功率,多孔材质特征参数,下游压力(意味着平均密度)的影响。为了分别讨论气流的粘性和密度对压差影响的大小,我们推导了多孔材质的无量纲表达式,并进一步地采用对数的办法分离了粘性项和密度项。基于这样的方法和实验所得的数据,我们讨论了粘性项和密度项对无量纲的压差△PT*的影响。讨论结果显示,△PT*和雷诺数的关系是由平均密度比和平均粘性比共同决定的。包含了平均粘性比的摩擦项仅取决于温度,也就是说,只要温度相同,摩擦项就是重合的,即便多孔材质的平均密度或者孔径不一样。密度项则是由压力条件和平均温度共同决定。因此,压力和温度的变化都会改变密度项。对于和压差、流阻及其流阻功耗的增幅比相关的温度影响因子来说,如果多孔材质的平均孔隙直径相同,则温度越高,温度影响因子越大,而如果多孔材质的平均孔隙直径不同的话,则除了温度之外,还受β(?)的影响。如果平均温度一样的话,则In(ηT)-Reβ曲线会在ηT-G曲线的基础上上偏移,β(?)大的偏向右边,小的偏向左边,大小相当的,则保持原来位置。最后,我们还考察了表征密度增幅比的密度项影响因子和表征粘性增幅比的粘性项摩擦项因子对无量纲压差增幅比的影响。我们发现二者的增幅比对无量纲压差的增幅比的贡献率是相当的,且仅由温度决定。而对于不同的多孔材质来说,在相同的加热功率的情况下,它的密度增幅比和粘性增幅比的曲线并没有发生本质的变化,仅仅是在横坐标方向上偏移,雷诺数大的,偏向右边,雷诺数小的,则偏向左边。
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