熱電偶測量排氣管表面溫度固定方式優化

[摘要]針對現有整車熱平衡試驗中鎧裝熱電偶測量排氣管表面溫度的固定方式,在考慮了接觸熱阻和對流換熱等影響熱電偶測溫誤差的因素后,利用測溫試驗與STARCCM仿真軟件傳熱分析結合的方式,設計出一種簡易、可操作性高及可廣泛適用的熱電偶固定方式。通過仿真計算及實車熱平衡試驗驗證，該固定方式相比鐵絲緊固方式在測溫結果上有8%的提升。對日常整車熱平衡試驗中熱電偶測量排氣管表面溫度的布點方式具有一定的借鑒和參考價值。
0引言
　　排氣管是汽車排氣系統中重要的組成部件之一,發動機做功所產生的熱量超過30%通過廢氣經排氣管排出,導致600-700℃的高溫廢氣將大量的熱量傳導至排氣管上。現在,為了滿足更為嚴苛的國六B排放要求,排氣系統中需要添加成本更高且更為復雜的GPF尾氣處理裝置,或者增加電機電池組成混合動力系統，這就使得原本緊湊的發動機艙空間愈發局促，不但影響了發動機艙內的氣流流動,而且加劇了由排氣系統所產生的熱量對周邊零件造成的高溫熱害問題。
　　目前在整車研發過程中對于排氣管表面溫度的測量方式，普遍采用接觸式測量,其中又以熱電偶測量最為常見。熱電偶測溫具有測溫范圍廣(可以測量-200-1700℃甚至更高的溫度)、測量響應快及測量安裝方便等特點。作為接觸式測溫傳感器,熱電偶需與被測物體直接接觸,通過熱交換后測得溫度,但由于安裝熱電偶會對原始狀態下被測物體的內部以及外界的流體等溫線.造成擾動，破壞原始溫度場,同時熱電偶也因自身熱電特性和傳熱特性,包括熱傳導、對流換熱、接觸熱阻以及安裝固定方式等多方面因素導致測量誤差.21。如今隨著計算機仿真技術的發展，在整車環境下建立排氣管內外部流動的數值模型,利用計算機軟件計算排氣管的表面溫度,得出的仿真結果與試驗數據良好吻合,證明了將數值仿真技術手段用于排氣管表面溫度計算的可行性[3]。因此針對測量誤差因素,通過測溫試驗和CFD仿真計算相結合的方式,設計一種新的熱電偶固定方式,并分析其對測量結果的影響。
1.排氣管表面溫度測量誤差
1.1熱電偶測量誤差
　　熱電偶測溫的基本原理是基于德國物理學家托馬斯.約翰.塞貝克發現的熱電效應,也稱塞貝克效應,如圖1所示，將兩種不同材料的導體連接在一起,當熱端(測量端)與冷端(參比端)存在溫度差時(T>T),測量端就會產生感應電動勢EAB,配以二次儀表將熱電動勢轉換成對應的溫度值。
 
　　式中:k為波爾茲曼常數;e為電子電荷量;na、nB為A、B兩種材料的自由電子密度;σA、σB為兩種材料的湯姆遜系數
　　對于使用熱電偶測量溫度的方式,測量結果會受到其材料的熱電特性及傳熱等多方面因素的影響。(1)熱電特性誤差:當熱電偶在特定的環境下,其材料會受到腐蝕或污染導致其原有的熱電特性發生變化,當這種變化幅度達到一定程度時，就會使熱電偶所測得的溫度偏離真實溫度[5];(2)參比端誤差:熱電偶的分度表所標定的溫度都是建立在熱電偶的參比端溫度等于0℃的基準上的。如果參比端的溫度不能保持在0℃，那么測量端所測得的電動勢將會產生偏差,由此導致的.測量誤差被稱為參比端誤差;(3)熱電偶傳熱誤差:熱電偶在測量表面溫度時,由于存在溫差,其熱接點會與接觸面、延長導線以及周圍環境之間存在導熱、對流換熱和輻射換熱,從而產生傳熱誤差;(4)接觸熱阻:從微觀角度來講,熱電偶與被測表面并非完全接觸,實際接觸區域僅僅發生在一些離散的微凸接觸面上,而在未接觸界面之間的間隙會被空氣所充滿[6]。由于空氣和熱電偶的導熱系數相差甚遠,因此與理論上的完全接觸狀態相比，實際接觸狀態中會增加附加的傳熱阻力,稱為接觸熱阻。
1.2排氣管表面傳熱誤差
　　如圖2所示，假設排氣管是-塊以r軸為徑向方向的無窮大薄壁,其導熱系數為λ1,表面對流換熱系數為α1,排氣管的一側有加熱熱流為q,將熱電偶簡化為感溫點是半徑為r。的圓柱體,熱電偶導熱系數為入2,對流換熱系數為α2。假設排氣管厚度很小,內部沒有內熱源且在厚度l方向無溫度梯度。在使用熱電偶測溫時,熱電偶在y=0處與排氣管接觸,排氣管上方的環境介質溫度為T?。
 
　　此時排氣管表面的過余溫度為.
 
　　在實際測量時,由于熱電偶通常使用導熱性能比較好的金屬材料來制作,且排氣管表面溫度Ts大于環境溫度T?,會有熱量沿著熱電偶導線被導出,這個熱量大于未安裝熱電偶時表面的散熱量。由于沿熱電偶導出的熱量來自于接觸面,而接觸面的熱量又是由排氣管內部通過導熱提供的,因此,在接觸區域內的表面在徑向上會產生溫度梯度。根據能量守恒定律可得排氣管表面的傳熱方程為
 
　　假設熱電偶和排氣管表面完全接觸,且熱電偶延長導線足夠長,對排氣管無限遠處的溫度場沒有影響,則可以認為在距離接觸點較遠處與周圍環境無熱量交換,對于式(4)與式(5)存在以下邊界條件
 
 
　　式中:k0為第二類零階修正貝塞爾函數;k,為第二類一階修正貝塞爾函數。從式(7)可以看出，將熱電偶的傳熱考慮在內,由于熱電偶傳熱損失而引起的測溫誤差會受到排氣管厚度材料的導熱系數、對流換熱系數以及熱電偶的尺寸等因素的影響。
2熱電偶固定方式的優化
　　根據熱電偶測量表面溫度誤差因素的研究,一種優化固定方式(見圖3),該方案使用0.4mmx5mmx20mm的鐵皮緊密包裹在熱電偶感溫段表面,并且在鐵片與熱電偶接觸面之間涂抹高溫導熱硅脂來消除接觸間隙。隨后將鐵片通過焊接的方式固定在排氣管測溫點上,并在測溫試驗裝置上與原有的采用鐵絲或者卡箍緊固的固定方式進行測溫試驗對比。
 
2.1排氣管測溫試驗
　　市場上的汽車排氣管大多是由鑄鐵、鐵素體不銹鋼等金屬材料制成,厚度普遍在1-1.5Imm之間,選取的排氣管樣件為某品牌轎車所使用的、以409L不銹鋼為原材料加工制作的100mmx100mmx1.2mm的測溫樣件,試驗使用的熱電偶型號為OmegaHKMTSS-062U-6K非接地型鎧裝熱電偶,熱電偶保護套管尺寸為d1=1.5mm,長度為150mm的圓柱體,材質為304L不銹鋼。
　　搭建排氣管樣件測溫試驗裝置:使用固定夾具將待測溫的排氣管樣件與加熱平臺壓緊，并分別采用鐵絲捆扎與優化方案兩種固定方式,將熱電偶與排氣管樣件安裝在恒溫加熱平臺上(見圖4)進行測溫試驗。固定夾具與排氣管接觸面材料選擇具有耐高溫和低導熱系數的玻璃纖維,以減小夾具接觸面對排氣管樣件表面溫度的影響。
 
　　試驗選用IMC數據采集儀對測溫試驗的所有溫度信號進行數據記錄,試驗環境溫度控制在25℃,保持室內處于自然對流狀態,將加熱平臺的溫度設定為150℃，并使用IMC數采儀進行數據記錄。試驗截取溫度達到穩定(±0.5℃/min)前后各100s共計為200s的數據供分析使用。隨后,在原有的試驗裝置上加裝集風箱,并在集風罩內加裝碳纖維石英加熱管,通過安裝在出風口的熱電偶反饋的流體溫度來調節加熱管的功率,在試驗中保證出風口的流體速度為5m/s、溫度為25℃,同時設定加熱平臺溫度為150℃,以研究對流換熱對測溫的影響。
2.2CFD仿真計算
　　對于如圖2所示的排氣管測溫模型的一維傳熱過程,假設物性為常數,排氣管內傳熱速率q均勻,那么可以求得排氣管的導熱方程為
 
　　在數值仿真計算熱電偶測量排氣管表面的傳熱過程中,會涉及到流體內部的傳熱、固體內部的傳熱、流體與固體之間的傳熱及流體與固體接觸面之間的耦合傳熱,稱為共軛傳熱。進行耦合傳熱分析,對其能量方程在流體和固體交界面處有效的隱式熱耦合求解。
　　流體域的能量方程可以表達為
 
　　排氣管測溫模型的傳熱仿真設計將排氣管以及熱電偶的材料和尺寸等設置為定常量,將接觸介質的材質、對流換熱強度等因素作為變量,從而求解出不同參數下的排氣管模型在處于熱穩定狀態時熱電偶的測溫結果。在進行傳熱類型的選擇時,對于固體內部的傳熱由于使用到能量方程,所以需要設置相應的材料熱物性,例如密度、導熱系數以及熱容;其次,對于流體與固體接觸面的換熱會選擇流-固耦合的對流換熱模型,因此需要用RNGK-epsilon湍流模型來描述空氣的運動,并且會分別考慮在自然對流和受迫對流兩種情況下的對流換熱,同時會在流-固交界處設置交界面;最后由于高溫排氣管會對周邊的部件造成輻射傳熱，因此需要選用S2S輻射傳熱來分析在一定空間內的輻射能量。數值仿真分析流程如圖5所示。
 
　　為了便于分析、提高仿真效率以及加快計算速度,如圖6(a)所示的模型將排氣管簡化為相同材料相同厚度的平板,將鎧裝熱電偶簡化為金屬圓柱,在熱電偶與排氣管表面的接觸界面上設置等效接觸介質,材料尺寸如表1所示通過設置幾種不同材料的接觸介質,模擬在不同導熱系數下接觸熱阻對排氣管表面傳熱的影響。同時將沒有安裝熱電偶的排氣管溫度模型作為參考對象。
 
　　使用STARCCM+軟件對模型進行網格生成。固體部分的體網格采用多面體網格生成器,網格尺寸設置為1mm,固體接觸面之間的加密網格最小尺寸為0.1mm,流體域的體網格采用切割體網格生成器,最大網格尺寸為5Imm，在流體與固體接觸面上的加密網格尺寸設置為1mm。分別建立了原始狀態下測溫模型以及優化固定方案的測溫模型,如圖7(a)和7(b)所示。
 
　　為了更接近實際情況下熱電偶測量排氣管的狀態,仿真設置將排氣管底面更換為第三類的邊界條件,對優化方案進行在不同排氣溫度下熱電偶測量的傳熱數值仿真。有研究表明,普通小排量發動機在全負荷狀態下排氣流速的馬赫數在0.3左右,所以可以將高溫排氣看作不可壓縮氣體,因此采用熱空氣近似模擬排氣管中的高溫排氣"。根據以往的經驗可知,當發動機在高負荷工況下,排氣溫度約為700℃左右,此時的對流換熱系數范圍在25-30W/(m².K)。通常情況下,發動機艙內部的溫度達到平衡狀態時大約為80℃,在考慮了排氣管底部對流換熱的情況下，分別對排氣管表面流體速度為5m/s和10m/s兩種對流換熱強度以及排氣溫度為300-700℃的狀態,進行優化測溫方案的數值仿真分析。
3試驗結果分析
3.1測溫試驗分析
　　圖8所示為在自然對流狀態下進行的試驗數據結果。相較于熱電偶直接接觸在涂抹導熱硅脂的狀態,溫度穩定時的熱電偶溫度從之前的140℃上升至147℃左右,提升5%,在25℃環境溫度下相對誤差從8.2%減小至1.7%。在采用優化固定方式后,熱電偶的溫度接近150℃,幾乎與加熱平臺表面溫度相同,比熱電偶直接接觸提升6.7%。根據前文中熱電偶測量誤差因素中有關接觸熱阻的分析可知,在以鐵絲捆扎為固定方式的情況下，由于鐵絲的固定覆蓋范圍有限,熱電偶探針部分未能與排氣管完全接觸而存在間隙,使得空氣可以流經縫隙,在傳熱的過程中產生了接觸熱阻,引起測量誤差。而在接觸面涂抹導熱硅脂后,消除了間隙,增大了熱電偶與排氣管表面的接觸面積，提升了傳熱效率。但由于熱電偶的感溫段大部分仍然與外界25℃的環境進行熱交換，產生了溫度梯度,從而降低了熱電偶的測量結果。而優化方案的包裹鐵片方式在隔絕了熱電偶感溫段與外界熱交換的同時,也因其更高的導熱系數,使得熱量可以更快地傳遞到熱電偶上,從而提升測溫結果，減小測量誤差。
 
　　對流換熱測溫的試驗結果如圖9所示,在使用鐵絲捆扎配導熱硅脂的方式下,熱電偶的溫度在146℃左右,而優化方案下熱電偶溫度穩定在148.7℃,提升約2%。分析其原因為:在接觸面.采用涂抹導熱硅脂的方式消除了因接觸熱阻而導致測量誤差的情況,排氣管表面傳遞至熱電偶的熱量隨著低溫流體進行對流換熱而流失,導致測量溫度下降。而優化方案中的鐵片起到了隔離作用,減弱了對流換熱對于熱電偶熱量傳遞的影響,從而減小了測量誤差。
 
3.2CFD仿真結果分析
　　仿真結果以熱電偶中心點及對應Y方向上垂直投影在排氣管內壁面的點作為溫度參比對象。經過數值仿真計算得到以下數據,表2及表3分別顯示了熱電偶及排氣管內壁的溫度結果,可以看出隨著排氣溫度的上升,當熱電偶處于自然對流環境中時,熱電偶與排氣管內壁面的溫度都比較接近排氣溫度,并且兩者之間溫差非常小。而隨著流經排氣管表面及熱電偶流體速度的上升,熱電偶與排氣管內壁的溫度均下降明顯,說明在有低溫流體對流換熱的情況下,排氣管壁的溫度被流體冷卻導致溫度降低。通過對比熱電偶與排氣管內壁面溫度,發現兩者雖存在溫差但差值很小，最大只有1.3℃。將兩者的差C值制成曲線如圖10所示，顯示出測溫差值隨排氣溫度而發生變化的關系,對曲線進行多項式擬合后可以得到優化方案。
 
4結語
　　采用試驗和數值仿真相結合的手段,針對排氣管表面溫度測量的熱電偶的不同安裝方式開展研究。首先,探討了熱電偶的測量誤差因素對于表面測溫的影響規律。隨后,設計搭建了排氣管樣件測溫試驗裝置,通過試驗和數值仿真計算研究了各種誤差因素對于排氣管測溫模型傳熱結果的影響規律,基于此提出了一種熱電偶安裝的優化方案,即使用包裹式固定片與涂抹接觸介質相結合的方式。最后，通過整車熱平衡試驗進行了驗證。通過以上研究,得到以下結論:
(1)針對熱電偶這類接觸式測量表面溫度方法的特點，研究了熱電偶在自身熱電特性以及在傳熱過程中存在的測量誤差因素,建立了排氣管的測溫模型，通過傳熱理論分析了產生測量誤差的機理;
(2)設計搭建了一套加熱測溫試驗裝置,結合排氣管樣件的測溫試驗與數值仿真計算的方式,研究了接觸熱阻和對流換熱等測量誤差因素對測溫結果的影響。研究結果證明,在自然對流換熱.狀態下,，在不改變安裝方式消除接觸熱阻的情況下,可以提升7℃,而在改變對流換熱強度的情況下,下降約1.5℃;
(3)結合排氣管樣件測溫試驗的研究結果,提出了一種新的熱電偶安裝優化方案:使用鐵片包裹熱電偶,在接觸面涂抹導熱硅脂并將其固定在排氣管表面。排氣管測溫試驗結果證實這種優化方案能帶來6.2%的提升。為了更好地模擬排氣管的使用場景,將數值仿真計算中排氣管底面的邊界條件修改為第三類邊界條件,并研究了在不同排氣溫度下的優化方案中熱電偶測量結果與排氣溫度的關系。通過試驗與仿真計算相結合的研究方式，較好地體現了優化方案在測量排氣管表面溫度方面的優勢。