CN106897537A - 含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其包括以下步骤：1)获取结构体的三维表面温度场分布，作为导热微分方程的求解边界条件；2)获取结构体的内部局部温度，作为导热微分方程的求解限定条件；3)根据流体与冷却通道壁面的热传递的热流值建立冷却通道壁面上的热平衡方程，作为导热微分方程的求解边界条件；4)利用结构体的受热表面温度，内部边界上的热平衡方程，以及内部局部温度，并结合导热微分方程，获得完整的控制方程组；5)求解上述控制方程组，最后同时确定结构体的温度场和热流密度。

Description

含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法

技术领域

本发明涉及一种温度场和热流的重构方法，具体涉及一种利用非接触温度测量对含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法。

背景技术

随着航天航空技术的发展，飞行器的速度不断提升。随着飞行速度的提高，剧烈的气动加热作用使得飞行器承受极高的热流密度，研制高效的热防护系统是高超声速飞行器发展急需解决的问题，而准确获取热流密度和结构体三维温度场是设计热防护系统的前提和基础。

当受热表面热流较高，热流计直接测量壁面的热流密度具有较大的误差。当受热结构的结构简单(如前缘、平板等)时，常规的导热反问题计算方法可以解决这类问题，即可通过非接触测量壁面的温度，借助导热反问题方法，反算出受热壁面的热流密度。但是，由于高超飞行器发动机的结构复杂，外形有曲面形状，并且含有内部冷却通道，此时，常规的导热反问题计算方法无法直接计算。为了实现这种复杂结构体三维温度场和热流密度的预测，需要探索新型的测试方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用非接触温度测量对含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取结构体的三维表面温度场分布W₁，作为导热微分方程的求解边界条件：

受热表面温度W₁：

式中，λ为结构体的导热系数；T为结构体的温度场；t表示计算时间；q₁表示结构体的热流密度；n为热流密度的方向；

2)获取结构体的内部局部温度T₁，T₂，…，作为导热微分方程的求解限定条件：

内部局部温度T₁，T₂，...：T(Ω₁,t)＝T₁；T(Ω₂,t)＝T₂，...(2)

式中，Ω_i表示结构体的计算区域，i＝1,2,3,…；

3)根据流体与冷却通道壁面的热传递的热流值建立冷却通道壁面上的热平衡方程，作为导热微分方程的求解边界条件：

内部边界S₁，S₂，...上的热平衡方程：

式中，S为结构体的内部边界，i＝1,2,3,…；h_i为结构体不同内部边界上的对流传热系数，i＝1,2,3,…；T_f为结构体内部冷却通道的流体温度；

4)利用结构体的受热表面温度W₁，内部边界S₁，S₂，…上的热平衡方程，以及内部局部温度T₁，T₂，…，并结合导热微分方程，获得完整的控制方程组，即式(1)-式(5)：

导热微分方程：

初始条件：T(Ω,t)＝T₀ (5)

式中，ρ为结构体的密度；c_p为结构体的热容；x和y表示结构体的坐标；T₀为结构体初始时刻的温度；

5)求解上述控制方程组，最后同时确定结构体的温度场T和热流密度q₁。

在进行上述步骤1)时，采用基于非接触辐射测量方法获取结构体的受热表面温度。

在一个优选的实施例中，非接触温度测量技术采用的是基于空间与光谱多维融合辐射测量技术，即针对于含三维或曲面外形的结构体外表面，通过在结构体外表面视场范围内的多个不同方位角度布置多个面成像测温传感器，每一个方位角度的面成像传感器均能够获得含三维或曲面外形结构体在该方位角度的二维投影温度场分布；然后通过多个方位角度的多个面成像传感器所获得多个二维投影温度场的融合，利用几何成像重建算法计算获得含三维或曲面外形结构体的三维表面温度场分布。

在一个更优选的实施例中，面成像测温传感器采用8-14μm红外单波段面成像测温传感器或者近红外多光谱成像融合面传感器。

在进行上述步骤2)时，在结构体内部开若干个微孔，插入热电偶或热电阻，通过接触式测得结构体的内部局部温度。

在进行上述步骤3)时，首先根据结构体内部冷却通道的流体种类、温度、压力和流速等状态参数，选择合适的流体对流换热计算准则关联式；然后根据冷却通道壁面边界上的热平衡关系，建立结构体不同内部边界S₁，S₂，…上的热平衡方程。

在一个优选的实施例中，流体对流换热计算准则关联式采用Dittus-Boelter公式：Nuf＝0.023Re^0.8Pr^0.4。

在进行上述步骤5)时，通过根据共轭梯度法求解控制方程组。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用基于空间与光谱多维融合辐射测量的非接触温度测量方法获取含三维或曲面外形结构体的三维表面温度场分布，避免了传统接触式测温法在温度场测量以及环境适应性等方面的局限性，解决了基于单个成像传感器的传统辐射测温技术无法获得含三维或曲面外形结构体外表面温度场的难点问题。2、本发明中对结构体的内部开一些微孔，用于测量结构体内部的局部温度，此温度将用于导热微分方程求解时的限定条件，可以有效地提升方程的求解精度。3、本发明根据结构体内部冷却通道的流体种类、温度、压力、流速等状态参数，利用流体的对流换热计算准则关联式，建立结构体不同内部边界上的热平衡方程，用于导热微分方程的边界条件，使得方程组满足封闭求解条件。4、本发明利用前述方法，获得结构体的三维表面温度场分布、内部边界上的热平衡方程、壁面内部局部温度，通过求解导热微分方程，即可同时获得结构体的温度场和热流密度。

附图说明

图1本发明提供的含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

本发明提供的含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其包括以下步骤：

1)如图1所示，采用基于非接触辐射测量方法获取含三维或曲面外形结构体的三维表面温度场分布W₁，作为导热微分方程的求解边界条件：

受热表面温度W₁：

式中，λ为结构体的导热系数；T为结构体的温度场；t表示计算时间；q₁表示结构体的热流密度；n为热流密度的方向。

在一个优选的实施例中，非接触温度测量技术采用的是基于空间与光谱多维融合辐射测量技术，即针对于含三维或曲面外形的结构体外表面，通过在结构体外表面视场范围内的多个不同方位角度布置多个面成像测温传感器(本实施例中为三个面成像测温传感器1-3)，每一个方位角度的面成像传感器均可以获得含三维或曲面外形结构体在该方位角度的二维投影温度场分布；然后通过多个方位角度的多个面成像传感器所获得多个二维投影温度场的融合，利用几何成像重建算法计算获得含三维或曲面外形结构体的三维表面温度场分布。

在一个更优选的实施例中，面成像测温传感器可以采用8-14μm红外单波段面成像测温传感器或者近红外多光谱成像融合面传感器。

2)在结构体内部开若干个微孔，插入热电偶或热电阻，通过接触式测得结构体的内部局部温度T₁，T₂，…，作为导热微分方程的求解限定条件：

内部局部温度T₁，T₂，...：T(Ω₁,t)＝T₁；T(Ω₂,t)＝T₂，...(2)

式中，Ω_i表示结构体的计算区域，i＝1,2,3,…。

3)结构体内部冷却通道的壁面与冷却通道内的流体进行热传递，可以根据流体与冷却通道壁面的热传递的热流值建立冷却通道壁面上的热平衡方程，作为导热微分方程的求解边界条件，具体过程为：首先根据结构体内部冷却通道的流体种类、温度、压力和流速等状态参数，选取合适的流体对流换热计算准则关联式(比如Dittus-Boelter公式：Nuf＝0.023Re^0.8Pr^0.4)；然后根据冷却通道壁面边界上的热平衡关系，建立结构体不同内部边界S₁，S₂，…上的热平衡方程：

内部边界S₁，S₂，...上的热平衡方程：

式中，式中，S_i为结构体的内部边界，i＝1,2,3,…；h_i为结构体不同内部边界上的对流传热系数，i＝1,2,3,…；T_f为结构体内部冷却通道的流体温度。

4)利用结构体的三维表面温度场分布W₁，内部边界S₁，S₂，…上的热平衡方程，以及内部局部温度T₁，T2，…，并结合导热微分方程，就可以获得完整的控制方程组，即式(1)-式(5)：

导热微分方程：

初始条件：T(Ω,t)＝T₀(5)

式中，ρ为结构体的密度；c_p为结构体的热容；x和y表示结构体的坐标；T₀为结构体初始时刻的温度。

5)通过根据共轭梯度法(CGM)或者其他算法求解上述完整的控制方程组，最后同时确定结构体的温度场T和热流密度q₁。需要说明的是，由于CGM方法为本领域技术人员的公知常识，因此求解过程不再赘述。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取结构体的三维表面温度场分布W₁，作为导热微分方程的求解边界条件：

受热表面温度W₁：

式中，λ为结构体的导热系数；T为结构体的温度场；t表示计算时间；q₁表示结构体的热流密度；n为热流密度的方向；

2)获取结构体的内部局部温度T₁，T₂，…，作为导热微分方程的求解限定条件：

内部局部温度T₁，T₂，...：T(Ω₁,t)＝T₁；T(Ω₂,t)＝T₂，... (2)

式中，Ω_i表示结构体的计算区域，i＝1,2,3,…；

3)根据流体与冷却通道壁面的热传递的热流值建立冷却通道壁面上的热平衡方程，作为导热微分方程的求解边界条件：

内部边界S₁，S₂，...上的热平衡方程：

式中，S为结构体的内部边界，i＝1,2,3,…；h_i为结构体不同内部边界上的对流传热系数，i＝1,2,3,…；T_f为结构体内部冷却通道的流体温度；

4)利用结构体的受热表面温度W₁，内部边界S₁，S₂，…上的热平衡方程，以及内部局部温度T₁，T₂，…，并结合导热微分方程，获得完整的控制方程组，即式(1)-式(5)：

导热微分方程：

初始条件：T(Ω,t)＝T₀ (5)

式中，ρ为结构体的密度；c_p为结构体的热容；x和y表示结构体的坐标；T₀为结构体初始时刻的温度；

5)求解上述控制方程组，最后同时确定结构体的温度场T和热流密度q₁。

2.如权利要求1所述的含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其特征在于，在进行上述步骤1)时，采用基于非接触辐射测量方法获取结构体的受热表面温度。

3.如权利要求2所述的含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其特征在于，非接触温度测量技术采用的是基于空间与光谱多维融合辐射测量技术，即针对于含三维或曲面外形的结构体外表面，通过在结构体外表面视场范围内的多个不同方位角度布置多个面成像测温传感器，每一个方位角度的面成像传感器均能够获得含三维或曲面外形结构体在该方位角度的二维投影温度场分布；然后通过多个方位角度的多个面成像传感器所获得多个二维投影温度场的融合，利用几何成像重建算法计算获得含三维或曲面外形结构体的三维表面温度场分布。

4.如权利要求2所述的含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其特征在于，面成像测温传感器采用8-14μm红外单波段面成像测温传感器或者近红外多光谱成像融合面传感器。

5.如权利要求1所述的含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其特征在于，在进行上述步骤2)时，在结构体内部开若干个微孔，插入热电偶或热电阻，通过接触式测得结构体的内部局部温度。

6.如权利要求1所述的含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其特征在于，在进行上述步骤3)时，首先根据结构体内部冷却通道的流体种类、温度、压力和流速等状态参数，选择合适的流体对流换热计算准则关联式；然后根据冷却通道壁面边界上的热平衡关系，建立结构体不同内部边界S₁，S₂，…上的热平衡方程。

7.如权利要求6所述的含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，其特征在于，流体对流换热计算准则关联式采用Dittus-Boelter公式：Nuf＝0.023Re^0.8Pr^0.4。

8.如权利要求1所述的含三维或曲面外形结构体的温度场与热流同时重构方法，在进行上述步骤5)时，通过根据共轭梯度法求解控制方程组。