点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法技术

本发明专利技术涉及点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法，特别涉及固体表面局部换热系数的测量技术的技术领域，利用柱坐标下一维非稳态导热方程在周期性点热源以及待测侧对流(及辐射)换热边界(可视作源项)条件下的解析解，得出点热源边界以外两参考点之间温度波动的相位差与待测侧局部换热系数之间的函数关系。该方法也可用于在壁体两侧绝热良好的条件下测量其热扩散率。本发明专利技术不受红外热像仪测温精度的影响，可通过点状周期性激光热源所施加的热扰动和基于红外成像的表面温度信号采集实现非接触式快速测量。式快速测量。式快速测量。

【技术实现步骤摘要】
点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法


[0001]本专利技术涉及固体表面局部换热系数的测量
，尤其是指点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法。

技术介绍

[0002]换热系数，是指单位温差条件下，固体表面在单位面积和单位时间内通过对流和/或辐射方式传递的热量，国际单位为瓦特/(米2·
开尔文)。换热系数是衡量换热器性能的指标性参数之一。
[0003]换热系数一般可以通过数值计算和实验两种方式来获得。数值计算是指通过对实际物理边界条件的合理假设，采用数值计算的方法迭代求解物理模型所对应的本构方程(组)，并获得表面换热系数的过程，其优点是：目前市场上已有相对成熟的计算软件，可实现局部和整体换热系数的计算；而其主要缺点在于理论模型本身的局限，对于诸如纳尺度换热、相变换热、含自由边界的对流换热等工程问题尚无可靠而具普适性的解决方案；高精度计算资源耗费巨大，且物理边界条件的假设往往无法准确反映真实条件而需要辅助实验技术的配合等等。传统实验方法存在的主要问题源于其侵入式的特征，即建立在改造乃至部分破坏被测对象的基础之上。非接触式换热系数测量方法是最近几十年出现的新方法，适用于传统方法对被测对象的改造和部分破坏难以实现或可能导致其本身或其关联系统失稳或失效的状况。此类方法因而往往具有适用范围广，测量需时短等特征。
[0004]点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法是根据被测壁面在周期性点热源激发下，周围不同半径参考点位表面温度波动的相位差和对应局部换热系数之间的固有函数关系，通过测算该相位差获得对应局部换热系数的方法。
[0005]专利CN 106610316 B公布了一种通过对待测面域背部整体采用非接触方式进行周期性加热，并通过红外热像仪按时序逐帧记录其温度，而后通过单频离散傅立叶变换得出其与热源波动的相位差，并结合与局部换热系数的固有函数关系，得出待测面域内局部换热系数的分布。
[0006]与本专利技术基于柱坐标系的一维非稳态导热并选取参考点相位差作为单点位局部换热系数测算依据的方案不同，该技术方案采用直角坐标系下的一维非稳态导热并试图通过单次测量获得整个待测面域内的局部换热系数分布。基于有限体积法的数值分析及实验结果表明，该技术方案在换热系数存在较大梯度的局部误差也相应较大，因此在操作过程中需要根据实际情况对不同局部的红外像素点组元进行网格划分。该项工作在很大程度上依赖于人为介入，成本较高。本专利技术公布的测量方法采用点热源的方式激发表面热波，所涉及的数采面域(对应于所测换热系数的局部面域)很小，在很大程度上避免了这一问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法，其具有不受红外热像仪测温精度的影响，可通过点状周期性激光热源所施加的热扰动和基于红外成像的表面温度信号采集实现非接触式快速测量的效果。
[0008]本专利技术的上述专利技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0009]点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法，其系统主要由红外热像仪、点源激光发生器和待测壁体构成；图1中点源激光器和待测侧分置于壁体两端描绘的只是实际操作中的情况之一，点源激光器的作用面域和待测侧可处壁体同侧而不影响本专利技术测量方法的有效性；
[0010]该方法可在以下两组条件下分别求取壁体待测侧的局部换热系数和壁体材料热扩散率：
[0011]1)已知点源激光器加热面域外距中心分别为r0和r1的两参考点(以下分别以r0和r1指代)温度波动的相位差Δφ、壁体厚度δ、激光点源的工作频率ω，在壁体两侧绝热良好的情况下可求取其热扩散率α；
[0012]2)已知点源激光器加热面域外距中心分别为r0和r1的两参考点温度波动的相位差Δφ、壁体厚度δ、材料热扩散率α、导热系数k，在壁体非待测侧绝热良好的情况下可求取待测侧的局部换热系数h；
[0013]红外热像仪按时序逐帧摄取包含上述两参考点在内的面域温度，而后通过数据处理获得壁体材料的热扩散率α和待测侧的局部换热系数h；原则上，两参考点在温度时序满足通常意义上信噪比要求的前提下，仅需保证处于点源激光的加热面域之外且不影响相位差的计算即可；本专利技术测量方法包括以下步骤：
[0014]S1:在壁体两侧绝热良好的情况下，在一定时间Δt内向壁体一侧射入一束由激光发生器产生的已知频率为ω的周期性热源，对应周期为2π/ω，该热源为点状热源，对应待测侧局部换热系数所在位置，即待测点；
[0015]S2:在同一时间段Δt内由红外热像仪同步对S1中以点热源为中心且包含有前述两个参考点的圆形区域内各像素点位的温度信号进行逐帧记录；
[0016]S3:以S2中按时序t
n
(n＝0,2,
…
,N
‑
1,N为总帧数)逐帧记录的参考点温度T
n
的交流分量为据，其相位角φ按以下步骤计算
[0017][0018][0019]参考点r0和r1的相位角分别以φ0和φ1表示，相位差
[0020]Δφ＝φ1‑
φ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]S4:由以下方程组求解S3中相位差所对应的壁体材料热扩散率α
[0022][0023]其中K0表示第二类0阶修正贝塞尔函数。
[0024]S5:在S4求得的壁体材料热扩散率α基础上，在保持壁体非待测侧绝热良好的情况下，将待测侧置于实际的对流及辐射换热环境中，重复步骤S1
‑
S3，并由以下方程组求解S3中相位差所对应的S1中所述待测侧局部换热系数h
[0025][0026]S6:为减少随机测量误差，宜对距加热中心位置一定范围内不同半径组合(即r0和r1)下所得结果取平均值；同时考虑S1中待测点前后对应流体侧的温升等因素造成的误差，宜对同一组半径r0和r1所对应圆周上的多组测点所得结果取平均值。
[0027]进一步限定，周期性激光点热源工作频率ω、半径r0和r1的选取应使得方程组(4)和(5)中由隐函数求导法则定义的灵敏度系数dα/d(Δφ)和dh/d(Δφ)(或d(logα)/d(Δφ)和d(logh)/d(Δφ))处于适中的范围(理想状况下处于～1的量级)，既要防止因灵敏度系数过高而造成误差过大，又要避免出现灵敏度过低而造成的测量失效。
[0028]进一步限定，已知工作频率为ω的激光点热源随时间的变化波形包含但不仅限于正弦波、方波等，波形的选择不影响本专利技术测量方法的有效性。
[0029]进一步限定，对一般换热器壁体而言，其厚度方向的温度梯度或流体侧较小的温度变化对测量结果的影响可以忽略。
[0030]综上所述，本专利技术的有益效果为：
[0031]本专利技术公布的测量方法采用点热源的方式激发表面热波，所涉及的数采面域(对应所测换热系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法，其系统主要由红外热像仪、点源激光发生器和待测壁体构成；图1中点源激光器和待测侧分置于壁体两端描绘的只是实际操作中的情况之一，点源激光器的作用面域和待测侧可处壁体同侧而不影响本发明测量方法的有效性；该方法可在以下两组条件下分别求取壁体待测侧的局部换热系数和壁体材料热扩散率：1)已知点源激光器加热面域外距中心分别为r0和r1的两参考点(以下分别以r0和r1指代)温度波动的相位差Δφ、壁体厚度δ、激光点源的工作频率ω，在壁体两侧绝热良好的情况下可求取其热扩散率α；2)已知点源激光器加热面域外距中心分别为r0和r1的两参考点温度波动的相位差Δφ、壁体厚度δ、材料热扩散率α、导热系数k，在壁体非待测侧绝热良好的情况下可求取待测侧的局部换热系数h；其特征在于：红外热像仪按时序逐帧摄取包含上述两参考点在内的面域温度，而后通过数据处理获得壁体材料的热扩散率α和待测侧的局部换热系数h；原则上，两参考点在温度时序满足通常意义上信噪比要求的前提下，仅需保证处于点源激光的加热面域之外且不影响相位差的计算即可；本发明测量方法包括以下步骤：S1:在壁体两侧绝热良好的情况下，在一定时间Δt内向壁体一侧射入一束由激光发生器产生的已知频率为ω的周期性热源，对应周期为2π/ω，该热源为点状热源，对应待测侧局部换热系数所在位置，即待测点；S2:在同一时间段Δt内由红外热像仪同步对S1中以点热源为中心且包含有前述两个参考点的圆形区域内各像素点位的温度信号进行逐帧记录；S3:以S2中按时序t
n
(n＝0,2,
…
,N
‑
1,N为总帧数)逐帧记录的参考点温度T
n
的交流分量为据，其相位角φ按以下步骤计算为据，其相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：董涛，史中远，宋海雨，杨朝初，何永清，蒋庄德，
申请(专利权)人：重庆工商大学，
类型：发明
国别省市：