CN105181740B - 一种同时辨识材料的热导率和热容的方法及测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种同时辨识材料的热导率和热容的方法及测试装置，所述方法包括：测量测试材料表面的发射率；测量测试材料表面的热流密度；测量测试材料内部的温度历程；获取测试材料热物性参数；当测试材料热物性参数已知时，利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布,得到测试材料随温度变化的热导率和热容。
Description
技术领域
本发明涉及材料分析技术领域，特别是指一种同时辨识材料的热导率和热容的方法及测试装置。
背景技术
近年来，随着我国对节能的重视以及对防热的要求提高，材料热物性参数的辨识越来越受到重视。通常材料热物性参数有两种方法可以确定，即直接测试和计算，直接测量方法过程比较复杂，测量费用较高，尤其是对于变热物性参数的材料，需要对各个温度点的热物性参数进行重复测试，效率较低；而计算方法对于多参数同时辨识结果误差较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种同时辨识材料的热导率和热容的方法及测试装置，能够降低辨识材料的热导率和热容的复杂程度误差。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种同时辨识材料的热导率和热容的方法，所述方法包括：
测量测试材料表面的发射率；
测量测试材料表面的热流密度；
测量测试材料内部的温度历程；
获取测试材料热物性参数；
假设测试材料热物性参数已知，利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布,以计算温度分布和实测温度历程的偏差构造目标函数，通过L-M方法对材料热物性参数进行优化，得到测试材料随温度变化的热导率和热容。
优选的，所述当测试材料热物性参数已知时，利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布包括:
将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布控制方程，计算材料内部的温度分布；
材料内部的温度分布控制方程如下：
其中，T为材料内部温度分布，x为热传导方向，k(T)和cp(T)为材料随温度变化的热导率和热容，t为时间；
测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件如下：
T(x,0)＝T0
其中，q”为材料表面的热流密度，ε为材料表面的发射率，T0为材料初始时刻的温度，Tl为x＝l处的温度。
优选的，所述将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布控制方程，计算材料内部的温度分布，包括：
利用基尔霍夫变换将材料内部的温度分布控制方程由非线性变换为线性，变换后的形式如下：
其中，k0为温度为T0时k(T)的值，
通过有限差分方法求解U(x,t)，进而通过U(x,t)和T的对应关系求出材料内部的温度分布。
优选的，所述方法还包括：
当测试材料热物性参数未知时，设置测试材料热物性参数初始值；
利用所述测试材料热物性参数初始值计算材料内部的温度历程；
将计算的材料内部的温度历程与测量的测试材料内部的温度历程比较，以其残差的平方作为目标函数，通过L-M方法对材料的热物性参数进行优化；
得到使目标函数满足终止准则的热物性参数值，即为测试材料随温度变化的热导率和热容。
优选的，所述测量测试材料表面的发射率，包括：
利用单比色测温方法结合热电偶测温，测量测试材料表面的发射率。
优选的，测量测试材料表面的热流密度，包括：
利用戈登计标定在距离石英辐照灯灯口处的辐射热流密度。
优选的，测量测试材料内部的温度历程，包括：
开启辐照灯，加热试样，记录试样内部的温度历程，待试样内部测点温度升高到欲辨识温度上限时停止加热。
本发明实施例还提供一种同时辨识材料的热导率和热容的测试装置，所述测试装置包括辐照灯、热电偶、单比色测温仪、戈登计、数据记录仪和数据处理器；
所述辐照灯，用于照射测试材料表面进行加热；
所述热电偶和单比色测温仪，用于测量测试材料内部温度分布和表面温度；
所述戈登计，用于标定石英辐照灯灯口处的辐射热流密度；
所述数据记录仪，用于采集测试数据；
所述数据处理器，用于对实验数据进行处理。
优选的，所述数据处理器利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布,并通过L-M方法进行优化得到测试材料随温度变化的热导率和热容。
优选的，所述数据处理器将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布方程，计算材料内部的温度分布，得到测试材料随温度变化的热导率和热容。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，利用L-M方法可以实现随温度变化的热导率和比热的同时辨识，相比于传统的测试方法，避免了重复试验，节约测试成本，提高效率，并同时提高材料热物性辨识的精度，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的同时辨识材料的热导率和热容的方法流程图；
图2为本发明实施例的同时辨识材料的热导率和热容的测试装置结构图。
[主要元件符号说明]
1、辐照灯；
2、热电偶；
3、测温探头；
4、戈登计；
5、数据采集仪；
6、数据处理器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例的一种同时辨识材料的热导率和热容的方法，所述方法包括：
步骤101：测量测试材料表面的发射率。
步骤102：测量测试材料表面的热流密度。
步骤103：测量测试材料内部的温度历程。
步骤104：获取测试材料热物性参数。
步骤105：当测试材料热物性参数已知时，利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布。
优选的，所述当测试材料热物性参数已知时，利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布包括:
将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布方程，计算材料内部的温度分布；
材料内部的温度分布控制方程如下：
其中，T为材料内部温度分布，x为热传导方向，k(T)和cp(T)为材料随温度变化的热导率和热容；
测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件如下：
T(x,0)＝T0
其中，q”为材料表面的热流密度，ε为材料表面的发射率，T0为材料初始时刻的温度，Tl为x＝l处的温度。
优选的，所述将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布方程，计算材料内部的温度分布。包括：
利用基尔霍夫变换将材料内部的温度分布控制方程由非线性变换为线性，变换后形式如下：
其中，k0为温度为T0时k(T)的值，
通过有限差分方法求解U(x,t)，进而通过U(x,t)和T的对应关系求出材料内部的温度分布。
优选的，所述方法还包括：
当测试材料热物性参数未知时，设置测试材料热物性参数初始值；
利用所述测试材料热物性参数初始值计算材料内部的温度历程；
将计算的材料内部的温度历程与测量的测试材料内部的温度历程比较，以其残差的平方作为目标函数，通过L-M方法对材料的热物性参数进行优化；
得到使目标函数满足终止准则的热物性参数值，即为测试材料随温度变化的热导率和热容。
优选的，所述测量测试材料表面的发射率，包括：
利用单比色测温方法结合热电偶测温，测量测试材料表面的发射率。
其中，可将测试材料，利用辐照灯加热，同时利用热电偶和红外单比色测温仪测量试样背壁的温度。利用单比色测温时，如果材料为黑体，发射率为1，内部温度为Tb，如果发射率为ε，则内部温度为：在测量过程中设定材料的发射率为1，测得温度即为Tb，而同时热电偶测得的温度为真实温度Tε，利用两个温度值即可得出发射率ε。
优选的，测量测试材料表面的热流密度，包括：
利用戈登计标定在距离石英辐照灯灯口10mm处的辐射热流密度。
其中，可以调节戈登计的位置，使辐照灯灯口中心到戈登计中心水平距离为10mm处，开启辐照灯，利用数据记录仪记录该位置处的热流密度q”。优选的，可以利用戈登计标定在距离石英辐照灯灯口10mm处的辐射热流密度q”。
优选的，测量测试材料内部的温度历程，包括：
开启辐照灯，加热试样，利用数据记录仪记录试样内部的温度历程，待试样内部测点温度升高到欲辨识温度上限时停止加热。
其中，可以调整使试样表面与戈登计表面处于同一位置，将试样内部测点布置的热电偶连接到数据记录仪上，此时开启辐照灯试样表面热流与戈登计所标定热流相同。记录试样内部测点在升温过程中的温度历程Treal。
本发明实施例还提供一种同时辨识材料的热导率和热容的测试装置，所述测试装置包括辐照灯1、热电偶2、测温探头3、戈登计4、数据采集仪5和数据处理器6；
所述辐照灯1，用于照射测试材料表面进行加热；
所述热电偶2和测温探头3，用于测量测试材料表面温度；
所述戈登计4，用于标定在距离石英辐照灯灯口处的辐射热流密度；
所述数据采集仪5，用于采集测试数据；
所述数据处理器6，用于对实验数据进行处理。
其中，辐照灯可以为石英辐照灯，测温探头可以为单比色测温探头，数据处理器可以为计算机。
优选的，同时辨识材料的热导率和热容的测试装置还可以包括环形卡具和高温计机盒，
优选的，所述数据处理器利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布,得到测试材料随温度变化的热导率和热容。
优选的，所述数据处理器将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布方程，计算材料内部的温度分布，得到测试材料随温度变化的热导率和热容。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种同时辨识材料的热导率和热容的方法，其特征在于，所述方法包括：
测量测试材料表面的发射率；
测量测试材料表面的热流密度；
测量测试材料内部的温度历程；
获取测试材料热物性参数；
当测试材料热物性参数已知时，利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布,以计算温度和测量的温度历程的偏差构造目标函数，通过L-M方法对材料的热物性参数进行优化，得到测试材料随温度变化的热导率和热容，具体包括：
将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布方程，计算材料内部的温度分布，得到测试材料随温度变化的热导率和热容；
材料内部的温度分布方程如下：
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其中，T为材料内部温度分布，x为热传导方向，k(T)和cp(T)为材料随温度变化的热导率和热容；
测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件如下：
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T(x,0)＝T0
其中，q”为材料表面的热流密度，ε为材料表面的发射率，T0为材料初始时刻的温度，Tl为x＝l处的温度。
2.根据权利要求1所述的同时辨识材料的热导率和热容的方法，其特征在于，所述将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布方程，计算材料内部的温度分布，得到测试材料随温度变化的热导率和热容，包括：
利用基尔霍夫变换将材料内部的温度分布方程变换为线性，变换后形式如下：
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其中，k0为温度为T0时k(T)的值，
通过有限差分方法求解U(x,t)，进而通过U(x,t)和T的对应关系求出材料内部的温度分布，得到测试材料随温度变化的热导率和热容。
3.根据权利要求1所述的同时辨识材料的热导率和热容的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当测试材料热物性参数未知时，设置测试材料热物性参数初始值；
利用所述测试材料热物性参数初始值计算材料内部的温度历程；
将计算的材料内部的温度历程与测量的测试材料内部的温度历程比较，以其残差的平方作为目标函数，通过L-M方法对材料的热物性参数进行优化；
得到使目标函数满足终止准则的热物性参数值，作为测试材料随温度变化的热导率和热容。
4.根据权利要求1所述的同时辨识材料的热导率和热容的方法，其特征在于，所述测量测试材料表面的发射率，包括：
利用单比色测温方法结合热电偶测温，测量测试材料表面的发射率。
5.根据权利要求1所述的同时辨识材料的热导率和热容的方法，其特征在于，测量测试材料表面的热流密度，包括：
利用戈登计标定在距离石英辐照灯灯口处的辐射热流密度。
6.根据权利要求1所述的同时辨识材料的热导率和热容的方法，其特征在于，测量测试材料内部的温度历程，包括：
开启辐照灯，加热试样，记录试样内部的温度历程，待试样内部测点温度升高到欲辨识温度上限时停止加热。
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| "用灵敏度法辨识热传导系数及热流参数";钱炜祺 等;《空气动力学学报》;19980630;第16卷(第2期);第226-231页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105181740A (zh) | 2015-12-23 |
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