CN109470363A - 基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法，适用于壁厚远小于壁面的长度、宽度，且沿厚度方向热阻较小的曲面物体的热流分布测量。本发明利用红外热像测温技术实时记录受热薄壁的温度场变化，对温度场求时间导数和空间导数，利用投影关系得到曲面热传导项与平面热传导的转换公式，通过求解二维非定常热平衡方程来计算得到加热热流在曲面上的分布。在计算过程中，自然对流由于量级的差异可被忽略。该方法提供了一种非接触的热流测量方法，能够实时测得曲面薄壁热流的二维分布情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种曲面薄壁热流分布测量方法，尤其涉及一种基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法，该方法是基于红外热像测温技术测量并记录曲面薄壁在加热时的温度场变化来计算曲面薄壁受热热流分布的方法。
背景技术
目前壁面热流测量的方法主要有三种：(1)采用电阻式温度传感器，通过输出的电信号得到已知电阻的温度梯度，利用傅里叶定律，计算壁面热流，例如柱塞式热流计；(2)采用热电偶式温度传感器，通过测量表面温差实现热流测量，例如薄膜热电偶；(3)是利用量热元件吸入热量，测量量热元件的平均温度变化率，再计算表面热流率，例如塞形铜箔量热计。
现有的壁面热流测量方法都是一次测量一个点的热流强度，不能解决整块区域内的实时热流分布问题；而且需要接触测量，其精度由热流传感器与被测物粘贴紧密程度、热流传感器厚度、热流传感器边长决定，对于某些复杂的结构来说传感器的安装较为不便。
同时，对于非接触式的曲面热流的测量，还没有人提出。
发明内容
本发明的目的在于针对目前技术的不足，提供一种基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法，具体步骤如下，
1)选择密度、比热容和热传导系数已知且Bi数远小于1的曲面物体，利用红外热像测温技术实时记录受热物体壁面的温度场变化；
2)对于该曲面物体，借助三维坐标仪描绘其曲面轮廓线的坐标点，利用最小二乘法拟合出轮廓线的曲线函数；
3)利用投影关系得到曲面热传导与平面热传导的转换公式；
4)忽略沿厚度方向的热阻，将物体加热热流分布问题简化成二维非定常传热问题，推导出非定常热平衡方程；
5)将步骤1)中测量得到的温度场对时间和空间分别求导，计算得到热温升非定常项和热传导项，忽略自然对流，根据步骤4)的非定常热平衡方程计算加热热流。
上述技术方案中，进一步的，所述的步骤1)具体为：利用红外热像测温技术实时记录受热薄壁的温度场变化，记录过程从初始加热时刻开始到物体温度基本不变。
进一步的，所述的步骤2)具体为：借助三维坐标仪进行曲面轮廓线的测绘工作，根据测绘点的坐标，以最小二乘法拟合得到曲线函数，曲线函数的导数即为曲面微元映射到平面的投影角的正弦值。
进一步的，所述的步骤3)具体为：利用投影关系，在曲面和投影平面上建立一一对应的温度场，在曲面微元和投影平面微元上建立沿径向和切向的坐标系，根据投影关系通过平面热传导项计算曲面微元上的热传导项，具体如下：
在平面上，以曲面薄壁的中心点设为原点O，对一微元，采用极坐标中的(r，θ)来定义微元位置，建立笛卡尔坐标系uv，分别沿微元的切向和径向方向，区别于传统直角坐标系xy，按照这个坐标系统中，热传导项表示为：
其中，T为物体表面的温度，λ为物体的热传导系数，T″vv、T″uu、T″xx、T″yy分别为温度T对v求二阶导数、对u求二阶导数、对x求二阶导数、对y求二阶导数，θ为投影平面微元的相对于原点O的极坐标角度，▽2为拉普拉斯算子；
在该投影平面微元竖直正对的曲面微元上，建立坐标系UV，同样分别沿曲面微元的的切向和径向，曲面微元的投影角为α，在两微元的切向方向上，其长度1:1映射，而在径向上，根据投影关系，曲面微元上的长度L对应于投影平面上的长度Lcosα；最终，根据投影关系通过平面热传导项计算获得的曲面微元上的热传导项为：
进一步的，所述的步骤4)具体为：由于物体Bi数远小于1，沿厚度方向的导热热阻可忽略不计，采用集中参数法，假设物体沿厚度方向不存在温差，将物体加热问题简化成二维非定常传热问题，得到非定常热平衡方程，即
热温升非定常项＝热传导项+热源项+自然对流项+辐射项
方程包含有5个项，从左到右依次是壁面温度由于加热导致的随时间变化的非定常项，壁面自身的热传导项(已转换到投影平面)，加热热源项，自然对流项和辐射项。
进一步的，所述的步骤5)具体为：将通过步骤1得到的曲面薄壁温度场对时间求导，导数与物体的密度和比热容相乘，计算得到非定常项；将曲面薄壁温度场对空间求导，利用投影关系，在坐标变换之后，得到温度场的空间导数项，与物体的热传导系数相乘，计算得到热传导项；加热初期，壁面温度较低，自然对流相对于热传导项可以忽略不计。而辐射项根据斯特潘-玻尔兹曼公式计算得到，根据非定常项、热传导项及辐射项可计算得到加热热源项，即加热热流分布情况。
本发明的有益效果是：
本发明通过红外热像技术记录曲面薄壁整块区域内随时间变化的温度场，再将温度场分别对空间和时间求导，计算非定常热平衡方程，得到测量平面内的实时瞬态加热热流分布。本发明为非接触式测量，通过求解曲面轮廓线的曲线函数得到投影关系，可以适用于各种复杂形状的壁面，解决了现有测量方法不能通过非接触式测量曲面热流的问题。对于弯曲壁面，本发明提出了利用投影关系进行坐标转换的方法，实现了曲面热传导项与投影平面热传导项之间的转换。将曲面薄壁的热流测量问题简化为了平板热流测量问题，极大的方便了对于各种复杂壁面的测量。同时红外热像技术可以同时测量一整个二维区域的热流分布，极大的提高了测量效率，适用于更广泛的工程环境，具有很大的工程及生产实践意义，有很大的应用前景。
附图说明
图1为曲面热流计算过程中的投影变换示意图
图2为测量装置示意图；
图3为本发明具体实例方法的流程图；
图4为弧形锅的曲边函数拟合；
图5为灶具加热情况下的弧形锅的温度场分布；
图6为灶具加热情况下的弧形锅的热流分布的计算结果；
图2中1.加热源 2.受热曲面薄壁 3.红外热像仪 4.图形处理器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明是基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法，具体步骤如下：
1、选择厚度远小于长度、宽度，Bi数远小于1的曲面物体(通常小于100倍以上即可)，即该物体的沿厚度方向的热阻远小于其他方向的热阻，且该物体的密度、比热容和热传导系数已知，在本发明中统一称为曲面薄壁，利用红外热像测温技术实时记录受热曲面薄壁的温度场变化。
2、对于上述曲面薄壁，借助三维坐标仪得到其曲面轮廓线的坐标点；
3、根据最小二乘法，拟合得到上述轮廓线的曲线方程，为了防止曲线方程的阶次不能太高，可分段拟合。
4、对曲线方程求导，得到曲线每点的导数，即该微元投影角α的正切函数值 tanα.
5.在图1(a)中，在投影平面上，对一微元，采用极坐标(原点O设为曲面薄壁的中心点)中的(r，θ)来定义微元位置，建立笛卡尔坐标系uv，分别沿微元的切向和径向方向(区别于传统的直角坐标系xy)，按照这个坐标系统中，热传导项表示为：
其中，T为物体表面的温度，λ为物体的热传导系数，T″vv、T″uu、T″xx、T″yy分别为温度T对v求二阶导数、对u求二阶导数、对x求二阶导数、对y求二阶导数，θ为投影平面微元的相对于原点O的极坐标角度，▽2为拉普拉斯算子。
在图1(b)，在该投影平面微元竖直正对的曲面微元上，建立坐标系UV，同样分别沿曲面微元的的切向和径向。曲面微元的投影角为α，在两微元的切向方向上，其长度1:1映射，而在径向上，根据投影关系，曲面微元上的长度L对应于投影平面上的长度Lcosα。最终，通过平面热传导项计算曲面微元上的热传导项为：
6.曲面热流的计算与平面的区别在于热传导项不一致，而热平衡方程中的其他项保持一致。由于物体Bi数远小于1，沿厚度方向的导热热阻可忽略不计，采用集中参数法，假设物体沿厚度方向不存在温差，将物体加热问题简化成二维非定常传热问题，得到非定常热平衡方程，即
热温升非定常项＝热传导项+热源项+自然对流项+辐射项
方程包含有5个项，从左到右依次是壁面温度由于加热导致的随时间变化的非定常项，壁面自身的热传导项(转换到投影平面)，加热热源项，自然对流项和辐射项。
7.将通过步骤1得到的曲面薄壁温度场对时间求导，导数与物体的密度和比热容相乘，计算得到非定常项；将曲面温度场对空间求导，利用前述的投影关系，在坐标变换之后，得到温度场的空间导数项，与物体的热传导系数相乘，计算得到热传导项；经实验测试发现，往往在加热初期，壁面温度不高，自然对流项比较小，与平均加热热流强度值相差至少2个数量级，因此自然对流可以忽略。而辐射项根据斯特潘-玻尔兹曼公式计算得到，根据非定常项、热传导项及辐射项可计算得到加热热源项，即加热热流分布情况。
以下通过实施例对本发明内容做进一步解释。实验采用家用弧形锅，材料为 Fe，厚度为1.2mm，半径150mm，定压热容cp为450J/(kg·K)，密度ρ为7800kg/m3，导热系数κp为80W/(m·K),曲面区域范围为58-150mm。由于壁厚只有1.2mm，Bi 数Bi＝1.75E-4，其远小于1，因此沿厚度方向的热阻可以忽略。平板正上方1m处放置红外成像仪，并连接图像处理器，整个实验装置如图2。加热源为某型号灶具，燃料为液化天然气。按照图3所示的流程图进行实验和计算。图4是家用弧形锅的曲边函数拟合结果。图5是锅在不同工况加热情况下分别在t＝10s，t＝20s， t＝30s三个时刻的温度场分布。边界条件为均匀热流边界条件，根据自然对流经验公式在加热初期，代入各项参数，计算自然对流项，发现其和非定常项或热传导项相差至少2个数量级，因此可以忽略自然对流项，从而计算得到图6的曲面薄壁的热流分布图。
Claims (5)
1.一种基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)选择密度、比热容和热传导系数已知且Bi数远小于1的曲面物体，利用红外热像测温技术实时记录受热物体壁面的温度场变化；
2)对于该曲面物体，借助三维坐标仪描绘其曲面轮廓线的坐标点，利用最小二乘法拟合出轮廓线的曲线函数；
3)利用投影关系得到曲面热传导与平面热传导的转换公式；
4)忽略沿厚度方向的热阻，将物体加热热流分布问题简化成二维非定常传热问题，推导出非定常热平衡方程；
5)将步骤1)中测量得到的温度场对时间和空间分别求导，计算得到热温升非定常项和热传导项，忽略自然对流，根据步骤4)的非定常热平衡方程计算加热热流。
2.根据权利要求1所述的基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法，其特征是，所述的步骤3)具体为：利用投影关系，在曲面和投影平面上建立一一对应的温度场，在曲面微元和投影平面微元上建立沿径向和切向的坐标系，根据投影关系通过平面热传导项计算曲面微元上的热传导项。
3.根据权利要求2所述的基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法，其特征是，所述的步骤3)具体为：在平面上，以曲面薄壁的中心点设为原点O，对一微元，采用极坐标中的(r，θ)来定义微元位置，建立笛卡尔坐标系uv，分别沿微元的切向和径向方向，区别于传统直角坐标系xy，按照这个坐标系统中，热传导项表示为：
其中，T为物体表面的温度，λ为物体的热传导系数，T″vv、T″uu、T″xx、T″yy分别为温度T对v求二阶导数、对u求二阶导数、对x求二阶导数、对y求二阶导数，θ为投影平面微元的相对于原点O的极坐标角度，▽2为拉普拉斯算子；
在该投影平面微元竖直正对的曲面微元上，建立坐标系UV，同样分别沿曲面微元的的切向和径向，曲面微元的投影角为α，在两微元的切向方向上，其长度1:1映射，而在径向上，根据投影关系，曲面微元上的长度L对应于投影平面上的长度Lcosα；最终，根据投影关系通过平面热传导项计算获得的曲面微元上的热传导项为：
4.根据权利要求1所述的基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法，其特征是，所述的步骤4)具体为：忽略物体沿厚度方向热阻，将加热问题简化成二维非定常传热问题，构建热平衡方程，即：
热温升非定常项＝热传导项+热源项+自然对流项+辐射项
方程包含有5个项，从左到右依次是壁面温度由于加热导致的随时间变化的非定常项，曲面的热传导项，加热热源项，自然对流项和辐射项。
5.根据权利要求1所述的基于红外热像测温技术的曲面薄壁加热热流分布测量方法，其特征是，所述的步骤5)具体为：将通过步骤1得到的曲面薄壁温度场对时间求导，导数与物体的密度和比热容相乘，计算得到非定常项；将曲面薄壁温度场对空间求导，利用投影关系，在坐标变换之后，得到温度场的空间导数项，与物体的热传导系数相乘，计算得到热传导项；加热初期，壁面温度较低，自然对流相对于热传导项可以忽略不计。而辐射项根据斯特潘-玻尔兹曼公式计算得到，根据非定常项、热传导项及辐射项可计算得到加热热源项，即加热热流分布情况。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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