热磁气式氧浓度传感器中热磁对流特性.doc

《热磁气式氧浓度传感器中热磁对流特性.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：133430热磁气式氧浓度传感器中热磁对流特性张晓燕1，王良璧2（兰州交通大学机电工程学院铁道车辆热工教育部重点实验室甘肃兰州730070）（Tel：0931-4956556，Email：zhangxy8989@163.com）摘要：热磁气式氧浓度传感器的感应原理是基于磁化力引起的对流强度。磁场梯度和温度场梯度是产生对流的关键因素。本文用数值方法分析了热磁气式氧浓度传感器的感应原理。对水平圆管内流体在磁场和温度场作用下的对流换热过程进行了数值研究，获得了流场和温度场以及观测段管壁温度的变化值。结果表明：只有雷诺数较小

2、时，磁化力作用下的对流换热被增强，壁面温度变化明显；壁面温度变化、平均努塞尔数分别与氧浓度的大小接近线性分布。关键词：磁场强度,磁化力,热磁对流,数值模拟0前言在内燃机和锅炉运行过程中，普遍利用氧气含量来判断过量空气系数的大小[1]，以控制燃料与空气的比例，维持良好的燃烧条件。目前，氧含量分析方法有两种：一种是是电化学法，如氧化锆分析器[2]；另一种物理分析法，如磁氧分析器[3]。热磁气式氧浓度传感器是一种物理法测量氧浓度的仪器，它是利用氧气的顺磁性特点进行氧气的测量与分析，顺磁性气体在不均匀磁场中因温度变化而导致其所受磁化力变化的特性是形成热磁对流的基础。它比

3、常用的电化学式的分析器的优点在于在使用过程中无损耗，能够长期连续运行，具有较长的使用寿命。热磁气式氧浓度传感器的测试原理是在由永磁体提供的磁场N-S中间圆管通道管壁上均匀间绕一段加热铂丝，这是由于铂具有优良的物理、化学特性，并有一定的电阻系数和较大的电阻温度系数。如下图所示，即桥臂加热元件1（AB段）和靠近磁场右边位置的电阻丝（BC段）。当被测气体以流经左侧通道时，含氧气体受到桥臂元件1的加热,温度升高。由于气体磁化率与温度有关，就会产生类似重力场升浮力，从而在原流动基础上叠加了一由磁化力引起的流动。气流在流经桥臂元图1热磁气式氧浓度传感器传感原理图(单位：mm

4、)件1时带走部分热量，使AB段的温度发生变化。AB段温度的变化值得大小就代表了被测气体中氧浓度的大小。资助项目：国家自然科学基金（No.51206073）从上世纪60年代第一次出现关于热磁对流的报道以来，这一现象已经随着强磁性材料的发展引起了更多的关注。Wakayama等研究了气体流动和燃烧的磁效应,并研究了梯度磁场作用下顺磁性液体中气泡的运动行为[4-6]。G.N.Jovanovic则通过实验验证了非导电的弱磁性离子在磁场中可以不受重力的影响而运动，并且他还指出，离子在磁场中稳定流动是受磁化力控制的。随着非导电介质温度发生改变，其磁化力也随之变化。1993年，

5、S.Ueno等通过实验研究指出在特定的场合下，顺磁性气体所受的磁化力与其所在磁场中磁场强度的大小成线性关系[8]。W.Wrobl等指出对于存在顺磁性流体的磁场空间，磁场可以强化或弱化流体的对流或传热过程[9]。由此可见热磁气式氧浓度传感器的测试原理基于磁化力引起的热磁对流问题，测试机理非常复杂，且对其详细的研究很少。所以，很难提高测试的准确性和灵敏度。为了更进一步提高热磁气式氧浓度传感器的灵敏度和可靠性、探索基于磁化力引起的热磁对流问题以及为今后的设计计算提供理论依据和指导意义，非常有必要对其机理进行深入研究。我们通过数值模拟计算，根据变化的电阻值确定壁面上温度

6、的变化，进而分析研究不同氧含量的非导电气体在梯度磁场和梯度温度场共同作用下的运动规律。1.研究模型1.1问题的几何模型为了便于研究，根据氧浓度传感器的原理，我们对实际的物理模型做必要的简化处理。可以用如下图2来表示要解决的物理问题，在一个圆管内,靠近磁铁处即AB段的圆管管壁上存在等热流q，其他管壁处热流密度为0。图2直角坐标系下的物理计算区域(单位：mm)1.2磁场强度计算模型对于磁场的计算，采用系统内等效磁偶极子的磁标量势方程[10]。如图3所示，在永磁体中，由磁化强度M已知可以得到磁场附近空间的基本磁偶极子的分子磁矩为:(1)图3基本磁偶极子对于空间内的任意

7、一点，磁标量势可以表示为(2)R是永磁体内点到空间任意点P的距离，R=

8、r-r′

9、即R2=(x-x′)2+(y-y′)2+(z-z′)2通过对磁标量势在整个磁铁体积上求积我们可以得到(3)则磁场强度可以表示为：(4)1.3流动与传热模型对于流体的流动我们有必要做简化假设，简化假设的模型如下:无内热源；不计管壁厚度；忽略流体中的黏性耗散；流动是不可压缩的层流状态。基于以上假设，在笛卡尔正交坐标系下不可压缩的牛顿流体的质量、动量、能量守恒方程式如下（і,ј=1,2,3）:(5)(6)(7)上述各方程中，ui-三个方向速度；P-压力；T-温度；ρ-流体密度；μ-流体动

10、力黏性系数；cp-定压比