一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法，属于流速测量技术领域。本发明专利技术利用加热器在圆管任意位置输入动态变化的热量，在加热区域沿细长均匀直圆管长度方向上，使用热成像技术无创地同步测量沿管长方向截面平均温度的时空分布变化。基于流体力学和热传递原理得到描述细长均匀直圆管长度方向上截面平均温度与管内截面平均流速之间定量关系的热弥散方程。并基于该方程建立目标函数，通过优化方法中最小化目标函数的思想，求解细长均匀直圆管内流体沿横截面的平均速度。进一步，建立深度神经网络方法，实现基于测量区域的时空温度分布快速求解圆管截面平均流速。解圆管截面平均流速。解圆管截面平均流速。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法


[0001]本专利技术属于流速测量
，涉及一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法，是一种基于流体力学、传热学、热成像等相关原理的方法。

技术介绍

[0002]细长均匀直圆管广泛应用在化学、生命科学、临床医学等领域，液体在细长均匀直圆管内部的流动行为对于化学药品、生物制剂以及疾病治疗药物的传递至关重要。定常流条件下，沿管道横截面的平均速度大小是细长均匀直圆管中液体流动最主要的特征参数之一，因此截面平均流速的测量对于化学反应的精确控制、生物制剂和药物剂量大小的精准操控都具有重要意义。
[0003]迄今为止，已有大量测量圆管流量(对应于管道截面平均流速)的技术，具体包括：电磁感应流量传感技术、超声多普勒流量传感技术、激光多普勒测流量检测技术等等。这些技术各有千秋，针对不同场合有不同的应用。基于热传递原理，人们专利技术了热膜传感器检测固体壁面附近流速的方法，然而这种方法需要将热膜传感器植入管道内壁，从而破坏了管道自身的结构，这种侵入性的方法应用于化学、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法，其特征在于，如下步骤：待测量的直圆管内流速为细长均匀直圆管内沿横截面的平均流速，以细长均匀直圆管的圆心为极点建立极坐标系，长度方向为z轴，半径方向为r轴，角度方向为θ轴，细长均匀直圆管的内、外半径分别为R
i
和R
o
均远小于特征长度L；向所述的细长均匀直圆管(1)中通入恒定流量的流体，将细长均匀直圆管的任意位置记为A处并取为坐标原点z＝0，使用加热器(2)周期性输入热量Q(t)，则热量Q(t)在管壁和管内液体中的传递过程满足能量方程其中，T(r，θ，z，t)为温度；ρ为物质密度；c为物质比热容；t为时间；U为热弥散流速；κ为物质导热系数；热量Q(t)和温度T(r，θ，z，t)满足式中，T0为加热器工作之前管内液体的初始温度；热弥散流速U满足式中，为管内液体流动的平均流速；沿直圆管横截面向的平均温度定义为满足热弥散方程其中其中上式中，且且且其中，B满足
边界条件为设管壁材料的密度ρ
w
、比热容c
w
、导热系数κ
w
均为常数，液体的密度ρ
f
、比热容c
f
、导热系数κ
f
亦均为常数，则由方程(6)
‑
(14)可推得方程(5)中的热弥散平均流速满足其中其中方程(5)中满足其中，且且且且设加热器(2)在细长均匀直圆管(1)的A处输入周期变化的热量Q(t)时，A处的截面平均温度为则方程(5)的边界条件为则方程(5)的边界条件为在加热区域沿细长均匀直圆管长度方向上，使用红外热成像系统同步测量连续位置的截面平均温度随时间变化的波形；其中沿管长方向的空间离散步长为Δz，时间采样步长为Δt，则k时刻z
i
处的截面平均温度可表示为其中i＝1，2，3
…
N
z
+1，k＝1，2，3
…
N
t
+1；使用有限差分方法将方程(5)近似为：
则可以构造如下的目标函数求解管道截面平均流速：则可以构造如下的目标函数求解管道截面平均流速：其中是目标函数，Ω是约束条件；设置优化参数，代入截面平均温度的时空分布数值其中i＝1，2，3
…
...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃开蓉，曾效，陈柯洁，李泳江，薛春东，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：