基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法，该方法利用红外热像技术记录随时间变化的加热壁面的温度场，选取的物体壁厚均匀且沿厚度方向热阻较小，因此可以将壁面加热问题简化成二维非定常传热问题，得到非定常热平衡方程，然后将测量得到的温度场对时间和空间求导，忽略自然对流和热辐射，计算得到二维分布的加热热流。该方法提供了一种非接触的测热流方法，能够实时测得壁面热流的二维分布情况。

Measurement method of unsteady wall heating heat flux distribution based on infrared thermography

The invention discloses an infrared temperature measurement technology based on the unsteady wall heat flux distribution measurement method, time-dependent infrared thermography recorded by the method of temperature field of the heating surface, wall thickness and the object selected smaller resistance along the thickness direction, so the problem can be simplified to a two-dimensional non heated wall the unsteady heat transfer problem, obtained unsteady heat balance equation, and then the temperature field measured on time and space differentiation, ignoring the natural convection and heat radiation, the calculated heat flux distribution of the two-dimensional. The method provides a non-contact method of measuring heat flow, which can be used to measure the two-dimensional distribution of wall heat flow in real time.

【技术实现步骤摘要】
基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法
本专利技术涉及一种壁面受热热流分布测量方法，尤其涉及一种利用红外热像测温技术测量记录壁面在加热源(如火焰、电热器、热气体等)加热时的温度场变化来计算受热热流分布的方法。
技术介绍
目前壁面热流测量的方法主要有三种：(1)采用电阻式温度传感器，通过输出的电信号得到已知电阻的温度梯度，利用傅里叶定律，计算壁面热流，例如柱塞式热流计；(2)采用热电偶式温度传感器，通过测量表面温差实现热流测量，例如薄膜热电偶；(3)是利用量热元件吸入热量，测量量热元件的平均温度变化率，再计算表面热流率，例如塞形铜箔量热计。现有的壁面热流测量方法都是一次测量一个点的热流强度，不能解决整块区域内的实时热流分布问题；而且需要接触测量，其精度由热流传感器与被测物粘贴紧密程度、热流传感器厚度、热流传感器边长决定，对于某些复杂的结构来说传感器的安装较为不便。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前技术的不足，提供一种非接触式基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的，一种非接触式基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法，具体步骤如下，(1)选择密度、比热容和热传导系数已知的物体，壁厚均匀，可近似成平板，其Bi数远小于1，利用红外测温技术记录随时间变化的加热壁面的温度场；(2)由于Bi数远小于1，则忽略壁面厚度方向热阻，将物体加热问题简化成二维非定常传热问题，得到非定常热平衡方程；(3)将步骤1)中测量得到的温度场对时间和空间分别求导，计算热温升非定常项和热传导项，忽略自然对流和热辐射，根据步骤2)的非定常热平衡方程计算加热热流。上述技术方案中，进一步的，所述的步骤1)具体为：利用红外测温技术记录物体壁面随时间变化的温度场，记录过程从初始加热时刻开始到物体温度基本不变。进一步的，所述的步骤2)具体为：由于物体Bi数远小于1，可采用集中参数法，忽略沿厚度方向的热阻，认为物体两个表面沿厚度方向基本不存在温差，将物体加热问题简化成二维非定常传热问题，得到非定常热平衡方程，即热温升非定常项＝热传导项+热源项+自然对流项+辐射项方程包含有5个项，从左到右依次是壁面温度由于加热导致的随时间变化的非定常项，壁面自身的热传导项，加热热源项，自然对流项和辐射项。进一步的，所述的步骤3)具体为：将通过红外测温技术测量得到的壁面温度场对时间求导，再乘上已知的壁面材料的密度和比热容参数，计算得到非定常项；将壁面温度场对空间求导，乘以壁面的热传导系数，计算得到热传导项。经实验测试发现，往往在加热初期，壁面温度不高，自然对流项和辐射项都比较小，与平均加热热流强度值相差至少2个数量级，因此自然对流和辐射散热项可以忽略。本专利技术的有益效果是，本专利技术通过红外热像技术记录壁面整块区域内随时间变化的温度场，再将温度场对空间和时间求导，计算非定常热平衡方程，得到测量区域内的实时瞬态的加热热流分布。不同于现有的壁面热流传感器需要接触壁面，该方法实现非接触式测量，可适用于各种复杂壁面的热流测量。同时现有的壁面热流传感器在同一时刻只能测量壁面的一个点的热流值，本专利技术则可以同时测量一个二维区域的热流分布，极大的提高了测量效率，适用于更广泛的工程环境，具有很大的工程及生产实践意义，有很大的应用前景。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。图1为测量装置示意图；图2为本专利技术具体实例方法的流程图；图3为不同加热源分别加热时的三个时刻的温度场分布；图4为不同加热源分别加热时某一时刻对应的热流图；图中1.加热源2.受热平板(半径为R，直径为d)3.红外热像仪4.图形处理器。具体实施方式本专利技术是基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法，具体步骤如下：1、选择密度、比热容和热传导系数已知的物体，壁厚均匀，可近似成平板，其Bi数(毕渥数)远小于1，利用红外测温技术记录随时间变化的加热壁面的温度场：利用红外测温技术记录物体壁面随时间变化的温度场，记录过程从初始加热时刻开始到物体温度基本不变。2、由于Bi数远小于1，则忽略壁面厚度方向热阻，将物体加热问题简化成二维非定常传热问题，得到非定常热平衡方程；物体Bi数远小于1，则可采用集中参数法，忽略沿厚度方向的热阻，认为物体两个表面沿厚度方向基本不存在温差，将物体加热问题简化成二维非定常传热问题，得到非定常热平衡方程，即热温升非定常项＝热传导项+热源项+自然对流项+辐射项方程包含有5个项，从左到右依次是壁面温度由于加热导致的随时间变化的非定常项，壁面自身的热传导项，加热热源项，自然对流项和辐射项。3、将步骤1中测量得到的温度场对时间和空间分别求导，计算热温升非定常项和热传导项，忽略自然对流和热辐射，根据步骤2的非定常热平衡方程计算加热热流；将通过红外测温技术测量得到的壁面温度场对时间求导，再乘上已知的壁面材料的密度和比热容参数，计算得到非定常项；将壁面温度场对空间求导，乘以壁面的热传导系数，计算得到热传导项。经实验测试发现，往往在加热初期，壁面温度不高，自然对流项和辐射项都比较小，与平均加热热流强度值相差至少2个数量级，因此自然对流和辐射散热项可以忽略。以下通过实施例对本
技术实现思路
做进一步解释。实验采用铝制圆形平板，厚度为2.5mm，半径为152mm，定压热容cp为880J/(kg·K)，密度ρ为2700kg/m3，导热系数κp为237W/(m·K)，由于壁厚只有2.5mm，而平板半径为152mm，其Bi数远小于1，沿厚度方向的热阻很小，可以忽略。平板正上方1m处放置红外成像仪，并连接图像处理器，整个实验装置如图1。加热源为电加热片，加热源1为方形加热片，而加热源2为圆形加热片，均为恒定热流加热片。按照图2所示的流程图进行实验和计算。图3是平板在不同加热器加热情况下分别在t＝10s，t＝15s，t＝20s三个时刻的温度场分布。图4第一排是将温度场对时间求一阶导数所得到得壁面随时间变化的非定常项分布图。将温度场对二维空间求二阶导数，得到图4中间所示的空间热传导项的分布图。边界条件为均匀热流边界条件，根据自然对流经验公式和热辐射公式W＝σ(ΔT)4，在加热初期，代入各项参数，计算自然对流项和热辐射项，发现其和非定常项或热传导项相差至少2个数量级，因此可以忽略自然对流项和热辐射项，从而计算得到图4最下排所示的非定常加热平板的热源分布图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)选择密度、比热容和热传导系数已知的物体，壁厚均匀，且其Bi数远小于1，利用红外测温技术记录随时间变化的加热壁面的温度场；(2)忽略物体沿厚度方向热阻，将物体加热问题简化成二维非定常传热问题，得到非定常热平衡方程；(3)将步骤1)中测量得到的温度场对时间和空间分别求导，计算热温升非定常项和热传导项，忽略自然对流和热辐射，根据步骤2)的非定常热平衡方程计算加热热流。

【技术特征摘要】
1.一种基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)选择密度、比热容和热传导系数已知的物体，壁厚均匀，且其Bi数远小于1，利用红外测温技术记录随时间变化的加热壁面的温度场；(2)忽略物体沿厚度方向热阻，将物体加热问题简化成二维非定常传热问题，得到非定常热平衡方程；(3)将步骤1)中测量得到的温度场对时间和空间分别求导，计算热温升非定常项和热传导项，忽略自然对流和热辐射，根据步骤2)的非定常热平衡方程计算加热热流。2.根据权利要求1所述的基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布测量方法，其特征是，所述的步骤1)具体为：利用红外测温技术记录物体壁面随时间变化的温度场，记录过程从初始加热时刻开始到物体温度基本不变。3.根据权利要求1所述的基于红外热像测温技术的非定常壁面加热热流分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：王高峰，钟亮，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33