由圆管外壁温度计算内壁温度的方法技术

本发明专利技术涉及测量技术领域，本发明专利技术提供了一种对于二维非稳态管内流动问题由圆管外壁温度计算内壁温度的计算方法，所述方法包括：在二维非稳态管内流动下，获得多个外壁节点的外壁温度测量值；根据所述外壁温度测量值得到多个内壁节点的内壁温度结果值。本发明专利技术可以准确的由管外壁温度计算得到管内壁温度随时间的变化，计算精度高，计算量较小，较好的解决了工业生产、科研工作中对于管内流动管内壁温度测量困难的问题，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及测量
，特别涉及二维非稳态管内流动下的温度测量。
技术介绍
在工业生产、科研工作中许多涉及管内流动问题的场合需要知道管壁温度随时间的变化，例如，研究热力管道中热应力对管壁材料结构的影响时。对于管外壁温度，已经有许多成熟的实验方法可以对其进行测量；而对于管内壁温度，由于管内壁测温装置的安装非常困难，而且测温装置的安装不当还会扰动管内流场，使管内壁温度的测量值偏离实际值。因此，如果能够根据容易测量的管外壁温度通过一定方法计算得到管内壁温度，即进行导热反问题的求解，则避免了测量管内壁温度给生产、科研带来的阻碍和困难。目前，国内外科研人员已做了很多导热反问题方面的研究工作，发展出了最大熵法、共轭梯度法、格林函数法、神经网络法等多种方法。对一维的稳态及非稳态问题，已有成熟的方法能够由管外壁温度求解管内壁温度；对二维、稳态管内流动问题，也有成熟的由管外壁温度求解管内壁温度反问题求解方法；但对于二维、非稳态管内流动问题，由于管内壁温度和管外壁温度随时间和空间变化，导热反问题的求解比较复杂，相关研究工作较少，因此，目前还没有用于二维、非稳态问题由管外壁温度求解管内壁温度导热反问题方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述不足，提供一种管内流动问题圆管内壁温度的计算方法，所述方法可根据由实验测量得到的圆管外壁若干点的温度随时间变化的函数，通过计算得到管内壁若干点的温度随时间变化的函数。 为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案 在二维非稳态管内流动下，获得多个外壁节点的外壁温度测量值； 根据所述外壁温度测量值得到多个内壁节点的内壁温度结果值。 进一步地，所述根据所述外壁温度测量值得到多个内壁节点的内壁温度结果值的步骤包括 设置内壁温度初始值； 根据所述内壁温度初始值计算得到所述多个外壁节点的外壁温度计算值； 判断所述外壁温度计算值与所述外壁温度测量值是否相符，若相符，则所述内壁温度初始值为内壁温度结果值；若不相符，通过迭代计算获得结果值。 进一步地，所述多个外壁和内壁节点由网格划分方法获得； 进一步地，所述多个外壁节点的外壁温度计算值通过求解圆管二维非稳态导热方程获得； 进一步地，所述判断所述外壁温度计算值与所述外壁温度测量值是否相符的步骤包括 根据所述外壁温度计算值与所述外壁温度测量值得到当前的目标函数的值； 判断所述当前的目标函数的值是否小于一个预先确定的阈值，若是，则相符；若否，则不相符； 进一步地，所述目标函数为其中，Tcal，m，n是外壁温度计算值，TExp，m，n是外壁温度测量值，M、N分别为测量值节点位置数和时间点数； 进一步地，所述通过迭代计算获得结果值的步骤之前还包括根据迭代方程获得下一步迭代的内壁温度初始值；所述迭代方程为其中，b为迭代次数，k为管内壁待计算节点的位置，β为迭代步长，n为时间点，d为搜索方向； 进一步地，所述迭代步长与表示内外壁节点温度变化关系的灵敏度系数有关，所述灵敏度系数由灵敏度方程获得，其中，所述灵敏度方程在圆管内壁的边界条件为并有，其中， 为灵敏度系数。 附图说明 图1是本专利技术实施例的二维左右对称管内流动问题示意图； 图2是本专利技术实施例的0°、60°、90°、120°、180°5个外壁测量节点的位置图； 图3是本专利技术实施例的0°、60°、90°、120°、180°5个内壁测量节点的位置图； 图4是通过实验得到的本专利技术实施例的0°、60°、90°、120°、180°5个内壁节点处的内壁温度准实验值(温度随时间的变化关系)； 图5是通过实验得到的本专利技术实施例的0°、60°、90°、120°、180°5个外壁节点处的外壁温度准实验值(温度随时间的变化关系)； 图6是本专利技术实施例的网格划分示意图； 图7是本专利技术实施例的内壁0°节点处的内壁温度计算值(温度随时间的变化关系)与内壁0°节点处的温度准实验值(温度随时间的变化关系)的对比； 图8是图7中60秒至80秒时间段的放大图； 图9是本专利技术实施例的内壁60°节点处的内壁温度计算值(温度随时间的变化关系)与内壁60°节点处的内壁温度准实验值(温度随时间的变化关系)的对比； 图10是本专利技术实施例的内壁120°节点处的内壁温度计算值(温度随时间的变化关系)与内壁120°节点处的内壁温度准实验值(温度随时间的变化关系)的对比。 具体实施例方式 本专利技术提出的圆管内壁温度的计算方法，结合附图和实施例说明如下。 如图1所示的二维左右对称圆管内流动问题，其中，20为管内壁，30为管外壁，A为管内侧流体，B为管外侧流体； 已知圆管尺寸、管外流体温度Tsir、管外侧对流换热系数hout。 对于一组管内壁温度值T*＝T*(r，φ，t)，可以由二维柱坐标非稳态导热方程计算得到所述圆管外壁节点温度随时间的变化，二维柱坐标非稳态导热方程为 式中，t为时间，r、φ为节点在柱坐标系中的坐标。 圆管外侧温度的计算为第三类边界条件下的计算，即给定对流换热系数和环境温度 圆管内侧温度的计算为第一类边界条件，即给定节点温度值 T＝T*(3) 管内壁温度由迭代的初始条件通过基于共轭梯度法的导热反问题方法通过迭代计算求解逼近真实值。 迭代的初始条件为 T(r，φ，0)＝T0(4) 共轭梯度法的目标函数为 式中，Tcal，m，n是管外壁温度计算值，TExp，m，n是管外壁温度实验值，下标M、N分别为测点位置数和时间点数。管内壁温度迭代式为 式中，上标b表示迭代次数，下标k表示管内壁待求点的位置，下标n表示时间点。d为搜索方向，其计算式为 式中γ由下式计算 迭代步长β计算式为 其中， 为表示内外壁节点的温度变化关系的灵敏度系数，为得到该灵敏度系数，需要求解灵敏度方程。灵敏度方程由非稳态导热方程对Tk，n求微分得到 灵敏度方程的边界条件和初始条件为 圆管外侧 圆管内侧 函数l(s，t)的值采用如下方式计算 当s＝k，t＝n时，l(s，t)＝1 其它情况，l(s，t)＝0(13) 初始条件 计算γ时需要知道 其计算式为 共轭梯度法的收敛目标是使 其中，ε为趋向于0的正数. 具体地，共轭梯度法的求解步骤如下 步骤S01由初始温度T0求解灵敏度方程得到灵敏度系数 步骤S02求解导热方程(1)得到管外壁温度计算值； 步骤S03根据管外壁温度计算值和测量值，通过公式(16)检查收敛目标是否达到；如果达到收敛目标，则停止迭代，否则，转到步骤S04； 步骤S04分别由公式(7)(8)(9)(15)计算得到迭代参数d，γ，β， 步骤S05由公式(6)计算得到下一迭代步的管内壁温度Tb+1，返回到步骤S02。 下面将列举本专利技术的具体实施例。 图1所示为二维左右对称管内流动问题示意图，为了能够在通过本专利技术的技术方案由管外壁温度计算内壁温度的同时检验本专利技术技术方案中共轭梯度法的实施效果，首先可以通过实验测量得到设定节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由圆管外壁温度计算内壁温度的方法，其特征在于，所述方法包括：　在二维非稳态管内流动下，获得多个外壁节点的外壁温度测量值；　根据所述外壁温度测量值得到多个内壁节点的内壁温度结果值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜培学，张有为，李辉，
申请(专利权)人：清华大学，日本三菱重工业株式会社，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]