3ω法测量流体的导热系数
葛树林 杨决宽 陈震 陈敏华 陈云飞
【摘要】：3ω法已成功应用于体态、薄膜等材料导热系数的测量,但还很少应用于流体领域。由于3ω法具有良好的测试性能,为此尝试将此法用于流体导热系数的测量。自行研制了流体导热系数的测量装置,采用锁相放大器获取3ω电压与频率的关系,并借助最小二乘法,算出待测试样的导热系数。通过对10#变压器油和去离子水等流体试样的测量,实验误差控制在5%之内,表明本实验具有一定的可行性。
【作者单位】： 东南大学机械工程学院教育部MEMS重点实验室 东南大学机械工程学院教育部MEMS重点实验室 东南大学机械工程学院教育部MEMS重点实验室 东南大学机械工程学院教育部MEMS重点实验室 东南大学机械工程学院教育部MEMS重点实验室
【关键词】： ω法 流体 导热系数 温度振动
【基金】：国家自然科学基金资助项目(50506008)
【分类号】：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
由于传统的纯液体换热工质导热系数较低,很难满足一些特殊条件下的传热和冷却要求,Choi等通过在液体中添加一定方式和比例的纳米固体粒子,形成纳米流体,来提高工质的导热系数[1]。纳米流体导热系数的大小与纳米颗粒的种类、体积份额、尺度等因素相关,为了探究纳米流体的强化传热机理，其导热系数的测量显得至关重要。测量方法通常分为两大类，即稳态法和瞬态法。稳态法，如同轴圆柱法和平板法，一般通过测量温度与
空问的坐标关系，求出导热系数，但测量时需要对装置做精密的保护，以减少对流和辐射的影响；热线法是一种常用的瞬态法，主要通过测量指定位置上温度与时间的关系，求出导热系数，但为了避免自然对流的影响，测量时问需严格控制在前几秒钟之内 。
3ω法是由Cahill首先提出并用来测量体态和薄膜等材料导热系数的有效方法，现已广泛应用于超晶格薄膜等的测量，但还很少应用于流体导热系数的测量。3ω法主要通过测量指定位置上温度与频率的关系，求出导热系数。采用3ω法测量流体导热系数时，温度振动可以控制在lK之内，可以有效地减小对流和辐射的影响。对3ω法测量流体导热系数的研究，不仅为流体导热系数的测量提供了一种新的可行方法，而且还完善了3ω法测量导热系数的研究体系。Norman[6J，Moon 在用此法研究液体的比热谱时，也试测了几种液体的导热系数；Feng Chen在2004年采用此法测量了3M Fluorinert FC77液体的导热系数，其结果与参考值吻合得较好罔。
本文作者自制了流体导热系数的3ω法测量装置，对已有标准导热系数的1 变压器油和去离子水等流体进行了多次反复测量，并对实验过程和数据处理中出现的相关问题做了较为详细的分析。
2 实验原理
2．1 实验简介
3 实验过程
3．1 电阻温度关系测量
4 数据处理及实验结果
在采用3ω法测量体态或薄膜材料时，只需利用3o9电压与频率对数值的线性拟合斜率，来计算导热系数，因此，即使存在系统误差也不会对导热系数的测量有很大影响；然而在测量流体时，3o9电压与频率的关系是非线性的，所以在拟合计算导热系数之前必须减去系统误差。
5 结束语
利用自制的3ω法流体导热系数测量装置，对变压器油和去离子水等流体试样进行了多次反复测量，从测量结果可以看出，实验误差控制在5％之内，成功实现了采用3 法测量流体导热系数的尝试。在实验过程中，△ 值不超过0．6K，可以有效的避免对流传热和辐射传热的影响，并且测量时间不必受到严格限制。实验中系统误差产生的原因还需作进一步探索，以提高本实验的测量精度和通用
性。
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