CN116297665B - 传热系数测量系统、方法、计算机设备和存储介质 - Google Patents

传热系数测量系统、方法、计算机设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种传热系数测量系统、方法、计算机设备和存储介质。所述系统包括：定功率直流电源，与目标对象的目标表面上的目标热膜连接，用于在各吹风工况下，加热所述目标热膜；测量设备，与数据处理设备通信连接，位于所述目标表面和所述目标热膜的前方，用于测量所述目标表面的温度，得到所述目标表面的多个测量图像；所述测量图像包括各第一像素点的标定温度；以及，所述数据处理设备，用于根据预先构建的一维瞬态导热模型和所述各第一像素点的标定温度，确定所述各第一像素点的传热系数；根据所述各第一像素点的传热系数和所述目标表面的表面类型，确定所述目标表面的传热系数场。采用本系统能够提高传热系数测量精度。

Description

传热系数测量系统、方法、计算机设备和存储介质
技术领域
本申请涉及测量技术领域，特别是涉及一种传热系数测量系统、方法、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。
背景技术
对于传热系数测量，主要有稳态与瞬态方法两种。稳态传热系数测量方法要求在测量过程中保持温度场和流场稳定，直至达到热平衡状态。瞬态传热系数测量方法则不需要等待热平衡，而是基于半无限大平板模型的假设，通过记录待测表面温度随时间的变化来计算传热系数。该方法在缩短实验周期的同时，可以更准确地反映传热过程的动态特性，提高传热系数测量结果的准确性。随着计算机数据处理技术的发展，瞬态方法变得简便且可行。
传统的瞬态传热系数测量方法为主流升温方法，通过加热器将主流气体加热，并通过保温系统进行保温。然而，主流升温方法需要保温系统严格保温主流气体，对保温系统的精度要求很高，而通常保温系统的设备精度难以达到精度要求，造成大量的热量损失，对传热系数的测量造成较大误差，使得传热系数测量精度降低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高测量精度的传热系数测量系统、方法、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
第一方面，本申请提供了一种传热系数测量系统。所述系统包括：
定功率直流电源，与目标对象的目标表面上的目标热膜连接，用于在各吹风工况下，加热所述目标热膜；
测量设备，与数据处理设备通信连接，位于所述目标表面和所述目标热膜的前方，用于测量所述目标表面的温度，得到所述目标表面的多个测量图像；所述测量图像包括各第一像素点的标定温度；以及，
所述数据处理设备，用于根据预先构建的一维瞬态导热模型和所述各第一像素点的标定温度，确定所述各第一像素点的传热系数；根据所述各第一像素点的传热系数和所述目标表面的表面类型，确定所述目标表面的传热系数场。
在其中一个实施例中，所述目标热膜覆盖所述目标表面，所述目标热膜与所述目标表面完全贴合。
在其中一个实施例中，所述目标热膜为挠性电路板热膜，所述目标热膜的线隙小于第一阈值，厚度小于第二阈值，线宽恒定。
在其中一个实施例中，所述测量设备为红外热像仪，所述系统还包括锗玻璃窗，所述锗玻璃窗位于所述目标热膜和所述测量设备之间；所述定功率直流电源为可调节的定功率直流电源，所述定功率直流电源的功率根据所述吹风工况确定。
第二方面，本申请还提供了一种传热系数测量方法。所述方法应用于上述第一方面所述的所述传热系数测量系统，所述方法包括：
在各吹风工况下，加热目标对象的目标表面上的目标热膜；
测量所述目标表面的温度，得到所述目标表面的多个测量图像；所述测量图像包括各第一像素点的标定温度；
根据预先构建的一维瞬态导热模型和所述各第一像素点的标定温度，确定所述各第一像素点的传热系数；根据所述各第一像素点的传热系数和所述目标表面的表面类型，确定所述目标表面的传热系数场。
在其中一个实施例中，所述一维瞬态导热模型的构建过程包括：
基于目标对象的壁面材料热扩散系数、温度对壁面法向坐标的二阶导和温度对时间的一阶导，构建一维热传导方程；
基于环境温度和初始时刻沿法向方向的目标对象温度，构建初始条件；
基于所述目标对象的壁外侧温度、所述环境温度、所述目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建边界条件；所述一维热传导方程、所述初始条件和所述边界条件，构成一维瞬态导热模型。
在其中一个实施例中，所述边界条件包含第一条件和第二条件；所述基于所述目标对象的壁外侧温度、所述环境温度、所述目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建边界条件包括：
基于所述环境温度和所述目标对象的壁外侧温度，构建第一条件；所述第一条件表征所述目标对象的壁外侧温度与所述环境温度相等；
基于所述目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建第二条件；所述第二条件表征所述单位面积的热流密度与所述目标对象的壁内侧导热与壁外侧对流换热的和相等。
在其中一个实施例中，所述目标表面的表面类型为曲面，所述根据所述各第一像素点的传热系数和所述目标表面的表面类型，确定所述目标表面的传热系数场包括：
将所述第一像素点转换为所述目标表面的三维点，得到所述三维点的传热系数；
将所述三维点转换成所述目标表面的曲面展开图像的第二像素点，得到所述第二像素点的传热系数；
将各所述第二像素点的传热系数，构成所述目标表面的传热系数场。
第三方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第二方面所述的步骤。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第二方面所述的步骤。
第五方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第二方面所述的步骤。
上述传热系数测量系统、方法、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，所述传热系数测量系统包括：定功率直流电源，与目标对象的目标表面上的目标热膜连接，用于在各吹风工况下，加热所述目标热膜；测量设备，与数据处理设备通信连接，位于所述目标表面和所述目标热膜的前方，用于测量所述目标表面的温度，得到所述目标表面的多个测量图像；所述测量图像包括各第一像素点的标定温度；以及，所述数据处理设备，用于根据预先构建的一维瞬态导热模型和所述各第一像素点的标定温度，确定所述各第一像素点的传热系数；根据所述各第一像素点的传热系数和所述目标表面的表面类型，确定所述目标表面的传热系数场。这样，通过定功率直流电源对目标对象的目标表面上的目标热膜进行加热，实现对目标对象的加热，不仅并非加热主流气体，不存在主流气体与外界换热造成的大量热量损失，而且，可以在很短的时间内实现瞬态的阶跃的温度变化，相较于传统的主流升温方法，通过加热器将主流气体加热，加热过程短，能够进一步减少热量损失，提高传热系数测量精度。
附图说明
图1为一个实施例中传热系数测量系统的结构示意图；
图2为一个实施例中气膜冷却单元试验系统示意图；
图3为一个实施例中传热系数测量方法的流程示意图；
图4为一个实施例中一维瞬态导热模型的构建过程的流程示意图；
图5为一个实施例中边界条件构建过程的流程示意图；
图6为一个实施例中确定目标表面的传热系数场步骤的流程示意图；
图7为一个实施例中气膜冷却单元传热系数图；
图8为一个实施例中气膜冷却单元拟合不确定度图；
图9为一个实施例中气膜冷却单元努塞尔数图；
图10为一个实施例中气冷透平叶片压力面传热系数图；
图11为一个实施例中曲面展开后的气冷透平叶片压力面传热系数图；
图12为一个实施例中气冷透平叶片压力面拟合不确定度图；
图13为一个实施例中曲面展开后的气冷透平叶片压力面拟合不确定度图；
图14为一个实施例中气冷透平叶片压力面努塞尔数图；
图15为一个实施例中曲面展开后的气冷透平叶片压力面努塞尔数图；
图16为一个实施例中计算机设备的内部结构图；
图中的附图标记分别表示为：100、传热系数测量系统；10、定功率直流电源；20、目标对象；30、目标热膜；40、测量设备；50、数据处理设备。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
在一个实施例中，请参阅图1，提供了一种传热系数测量系统100，该传热系数测量系统100包括：
定功率直流电源10，与目标对象20的目标表面上的目标热膜30连接，用于在各吹风工况下，加热目标热膜30；
测量设备40，与数据处理设备通信50连接，位于目标表面和目标热膜30的前方，用于测量目标表面的温度，得到目标表面的多个测量图像；其中，测量图像包括各第一像素点的标定温度；以及，
数据处理设备50，用于根据预先构建的一维瞬态导热模型和各第一像素点的标定温度，确定各第一像素点的传热系数；根据各第一像素点的传热系数和目标表面的表面类型，确定目标表面的传热系数场。
本申请实施例中，定功率直流电源10可以为定功率自动快速调节直流电源。目标对象20为待测量传热系数的对象。目标对象20可以为任意待测量传热系数的对象，目标对象20可以为叶片和壁端。例如，目标对象20可以为气冷透平叶片、涡轮气冷叶片、平板气膜冷却单元和气冷透平叶栅试验件。目标表面为待测量传热系数的表面，为目标对象20的一个表面。目标表面的形状不作限制，可以为任意形状，可以为规则形状，也可以为不规则形状。例如，目标表面的形状可以为矩形和五角星。目标表面可以为平面，也可以为曲面，也可以为带孔表面。目标表面为规则或不规则的连续表面。目标热膜30为与目标表面相接触的可加热膜。目标热膜30与定功率直流电源10连接，可以通过定功率直流电源10向其供电，实现对目标热膜30加热。目标热膜30可以为任意材料组成的热膜。目标热膜30可以为电路板和石墨烯热膜。吹风工况为用于测量传热系数的工况。吹风工况可以包括主流的流速、主流的温度和主流的湍流度。吹风工况可以表示用于测量传热系数的冷气的流量。
测量设备40为测量目标表面温度的设备。测量设备40位于目标表面和目标热膜30的前方，与目标表面和目标热膜30之间的距离属于测量设备40对应的距离区间。测量设备40可以为任意能够测量目标表面温度的设备。测量设备40可以为红外热像仪，也可以为普通相机。在测量设备40为普通相机的情况下，该传热系数测量系统100中的目标热膜30包括液晶涂层，该液晶涂层为喷涂在目标热膜30的表面。测量图像为测量目标表面的温度得到的图像，包括测量设备40拍摄到的目标表面的图像和目标表面的温度。测量图像包括各第一像素点的标定温度和测量时间。第一像素点为测量图像上的像素点。标定温度为对目标表面的测量温度进行比标定后的温度。
数据处理设备50用于接收测量设备40的目标表面的多个测量图像，并对其进行数据处理。数据处理设备50可以为终端和服务器，还可以为包括终端和服务器的系统，并通过终端和服务器的交互实现。其中，终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、物联网设备和便携式可穿戴设备，物联网设备可为智能音箱、智能电视、智能空调、智能车载设备等。便携式可穿戴设备可为智能手表、智能手环、头戴设备等。服务器可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。
响应于不同的吹风工况对应的加热指令，定功率直流电源10按照加热指令包含的功率，加热目标对象20的目标表面上的目标热膜30，实现对目标对象20的加热。其中，不同的吹风工况对应不同的加热指令。加热指令包含功率。同时，响应于测量开始指令，测量设备40测量目标表面的温度，得到目标表面的多个测量图像。然后，测量设备40将测量得到的目标表面的多个测量图像发送至数据处理设备50。然后，数据处理设备50根据预先构建的一维瞬态导热模型和各第一像素点的标定温度，确定各第一像素点的传热系数。然后，数据处理设备50根据各第一像素点的传热系数和目标表面的表面类型，确定目标表面的传热系数场。
上述传热系数测量系统，传热系数测量系统包括：定功率直流电源，与目标对象的目标表面上的目标热膜连接，用于在各吹风工况下，加热目标热膜；测量设备，与数据处理设备通信连接，位于目标表面和目标热膜的前方，用于测量目标表面的温度，得到目标表面的多个测量图像；测量图像包括各第一像素点的标定温度；以及，数据处理设备，用于根据预先构建的一维瞬态导热模型和各第一像素点的标定温度，确定各第一像素点的传热系数；根据各第一像素点的传热系数和目标表面的表面类型，确定目标表面的传热系数场。这样，通过定功率直流电源对目标对象的目标表面上的目标热膜进行加热，实现对目标对象的加热，不仅并非加热主流气体，不存在主流气体与外界换热造成的大量热量损失，而且，可以在很短的时间内实现瞬态的阶跃的温度变化，相较于传统的主流升温方法，通过加热器将主流气体加热，加热过程短，能够进一步减少热量损失，提高传热系数测量精度。并且，由于本传热系数测量系统不加热主流气体，不存在主流气体与外界换热造成的大量热量损失，对保温系统的精度要求低，甚至不需要繁杂昂贵的保温系统，成本低，操作简便。而且，相较于传统液晶方法可能受到液晶涂层稳定性和颜色响应特性等因素的影响，在温度分布的测量上范围窄，还可能受到光学干扰，本传热系数系统可以提供稳定性强、鲁棒性强、宽范围的温度测量，进一步提高传热系数测量精度。此外，本传热系数系统用于实现瞬态热膜热测量方法，不需要等待试验件达到热平衡状态，动态变化记录时间段，相比于传统的稳态方法大大缩短了实验周期，可以实时监测待测表面的温度变化，抗干扰能力强，也有助于更好地了解传热过程的动态特性。
在一种可能的实现方式中，目标热膜30覆盖目标表面，目标热膜30与目标表面完全贴合。
本申请实施例中，目标热膜30覆盖目标表面，与目标表面完全贴合。目标热膜30的大小和形状根据目标表面确定。目标热膜30的面积大于目标表面的面积，目标热膜30的面积与目标表面的面积的差值大于预设的面积阈值。面积阈值可以为固定值，也可以根据目标表面的面积和预设面积比确定。目标热膜30的形状可以与目标表面的形状相同。
上述传热系数测量系统，正是基于目标热膜30覆盖目标表面，目标热膜30与目标表面完全贴合，传热系数测量系统通过加热目标热膜30能够实现对目标对象20的加热，并且，能够进一步减少与外界换热造成的热量损失，进一步提高传热系数测量精度。
在一种可能的实现方式中，目标热膜30为挠性电路板热膜，目标热膜30的线隙小于第一阈值，厚度小于第二阈值，线宽恒定。
本申请实施例中，目标热膜30为挠性电路板（Flexible Printed Circuit Board，FPCB）热膜，又称柔性电路板热膜。挠性电路板是一种高度可靠的，轻便、薄型、柔软且可弯折的低成本电路板。FPCB可以在空间受限的环境中适应不同形状的设计，被广泛应用于电子行业，如手机、笔记本电脑、平板电脑等消费电子产品。目标热膜30的线隙小于第一阈值，厚度小于第二阈值，线宽恒定。第一阈值可以小于第二阈值。第一阈值可以为0.15mm，第二阈值可以为0.2mm。目标热膜30的线隙可以均匀，也可以不均匀。
上述传热系数测量系统，将挠性电路板热膜应用到气膜冷却热测量，正是基于目标热膜30为可靠、柔软且可弯折挠性电路板热膜，传热系数测量系统能够覆盖、贴合多种不规则的连续表面，实现对包括多种不规则的连续曲面在内的任意表面的传热特性测量，应用范围广，应用性强。并且，正是基于目标热膜30为轻便、薄型挠性电路板热膜，传热系数测量系统通过加热目标热膜30实现对目标对象20的加热时，能够进一步减少与外界换热造成的热量损失，进一步提高传热系数测量精度。不仅如此，正是基于目标热膜30的线隙小于第一阈值，厚度小于第二阈值，线宽恒定，目标热膜发热均匀，可避开测量设备40的最低分辨率，在测量设备40拍摄时形成理想的均匀热流薄壁，能够提高测量设备40测量温度的精度，进一步提高传热系数测量精度。正是基于目标热膜30为挠性电路板热膜，目标热膜30的线隙小于第一阈值，厚度小于第二阈值，线宽恒定，与传统热膜方法相比，本传热系数测量系统具有更好的加热均匀性、更准确的温度控制、更精确的传热过程描述、较小的环境因素影响，可以实现更快速和精确的传热系数测量。
在一种可能的实现方式中，测量设备40为红外热像仪，该系统还包括锗玻璃视窗，锗玻璃视窗位于目标热膜30和测量设备40之间；定功率直流电源为可调节的定功率直流电源10，定功率直流电源10的功率根据吹风工况确定。
本申请实施例中，测量设备40为红外热像仪，又称红外相机。测量设备40可以为非接触式高精度红外热像仪。锗玻璃视窗的光学透过性可以高于预设的光学透过性阈值。锗玻璃视窗与目标热膜30之间的距离小于锗玻璃视窗与测量设备40之间的距离。定功率直流电源10可以为定功率自动快速调节的直流电源。定功率直流电源10的功率与吹风工况之间可以存在映射关系。
上述传热系数测量系统，正是基于测量设备40为具有更高的分辨率、更快的响应速度以及更低的噪声水平的红外热像仪，该系统还包括锗玻璃视窗，锗玻璃视窗位于目标热膜30和测量设备40之间以实现传热系数测量，使得温度测量更加精确可靠，进一步提高传热系数测量精度。并且，正是基于定功率直流电源为可调节的定功率直流电源10，定功率直流电源10的功率根据吹风工况确定，能够消去定压或定流模式下热膜升温导致电阻升高所带来的功率误差，进一步提高传热系数测量精度。
在一个实施例中，气膜冷却单元试验系统，即传热系数系统，如图2所示。气膜冷却单元试验系统包括：离心风机、稳压罐、压力表、温度表、蜂窝网、过滤丝网、湍流格栅、稳定段、过滤段、测试段、试验件（即目标对象）、FPCB热膜、可调节定功率直流稳压电源、锗玻璃视窗、红外相机、CO2气瓶、Air气瓶、空气压缩机、减压阀、安全阀、截止阀、质量流量控制器、恒温槽、供气腔和终端。终端电源控制可调节定功率直流稳压电源，温度控制恒温槽，流量控制质量流量控制器。终端接收供气腔的温度信号和红外相机的相机信号。相机信号包括红外相机的测量数据。主流空气经离心风机压缩后进入稳压罐，随后通过配备多层蜂窝网和过滤丝网的稳定段，经整流后由过渡段经湍流格栅进入测试段，为试验件提供特定的主流条件。二次流系统则由二氧化碳气瓶、空气气瓶和空气压缩机组成，可分别向测试段的试验件供气腔提供冷气，冷气经过减压阀、流量控制阀和恒温槽后到达供气腔，供气腔内装有用于整流的蜂窝网。红外相机、可调节定功率直流稳压电源、流量计、温度计、恒温槽信号均接入计算机，并由其远程控制，来完成试验的各项操作。
在一个实施例中，如图3所示，提供了一种传热系数测量方法，该方法应用于上述所涉及的传热系数测量系统。本实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤301，在各吹风工况下，加热目标对象的目标表面上的目标热膜。
在本申请实施例中，针对每一个吹风工况，传热系数测量系统中的控制设备根据该吹风工况，确定该吹风工况对应的功率。然后，传热系数测量系统按照该吹风工况对应的功率，通过定功率直流电源，加热目标对象的目标表面上的目标热膜。其中，控制设备可以为传热系数测量系统中的数据处理设备，也可以为其他设备。
在一个示例中，针对每一个吹风工况，传热系数测量系统中的控制设备在吹风工况和功率的映射关系中，查询该吹风工况对应的功率。
步骤302，测量目标表面的温度，得到目标表面的多个测量图像。
其中，测量图像包括各第一像素点的标定温度。
在本申请实施例中，传热系数测量系统通过测量设备，测量目标表面的温度，得到目标表面的多个测量图像。
步骤303，根据预先构建的一维瞬态导热模型和各第一像素点的标定温度，确定各第一像素点的传热系数。根据各第一像素点的传热系数和目标表面的表面类型，确定目标表面的传热系数场。
在本申请实施例中，测量图像包括各第一像素点的标定温度和测量时间。针对每一个第一像素点，传热系数测量系统通过数据处理设备，根据预先构建的一维瞬态导热模型、各第一像素点的标定温度和测量时间，拟合得到该第一像素点的传热系数。然后，传热系数测量系统通过数据处理设备，根据各第一像素点的传热系数和目标表面的表面类型，确定目标表面的传热系数场。其中，表面类型包括平面和曲面。
在一个示例中，在目标表面的表面类型为平面的情况下，传热系数测量系统通过数据处理设备，将各第一像素点的传热系数构成目标表面的传热系数场。
上述传热系数测量方法，应用于上述所涉及的传热系数测量系统，在各吹风工况下，加热目标对象的目标表面上的目标热膜；测量目标表面的温度，得到目标表面的多个测量图像；根据预先构建的一维瞬态导热模型和各第一像素点的标定温度，确定各第一像素点的传热系数，根据各第一像素点的传热系数和目标表面的表面类型，确定目标表面的传热系数场。这样，通过定功率直流电源对目标对象的目标表面上的目标热膜进行加热，实现对目标对象的加热，不仅并非加热主流气体，不存在主流气体与外界换热造成的大量热量损失，而且，可以在很短的时间内实现瞬态的阶跃的温度变化，相较于传统的主流升温方法，通过加热器将主流气体加热，加热过程短，能够进一步减少热量损失，提高传热系数测量精度。并且，由于本传热系数测量方法不加热主流气体，不存在主流气体与外界换热造成的大量热量损失，对保温方法的精度要求低，甚至不需要繁杂昂贵的保温方法，成本低，操作简便。而且，相较于传统液晶方法可能受到液晶涂层稳定性和颜色响应特性等因素的影响，在温度分布的测量上范围窄，还可能受到光学干扰，本传热系数方法可以提供稳定性强、鲁棒性强、宽范围的温度测量，进一步提高传热系数测量精度。此外，本传热系数方法用于实现瞬态热膜热测量方法，不需要等待试验件达到热平衡状态，动态变化记录时间段，相比于传统的稳态方法大大缩短了实验周期，可以实时监测待测表面的温度变化，抗干扰能力强，也有助于更好地了解传热过程的动态特性。
在一个实施例中，如图4所示，一维瞬态导热模型的构建过程包括以下步骤：
步骤401，基于目标对象的壁面材料热扩散系数、温度对壁面法向坐标的二阶导和温度对时间的一阶导，构建一维热传导方程。
在本申请实施例中，传热系数测量系统分别构建目标对象的壁面材料热扩散系数、温度对壁面法向坐标的二阶导和温度对时间的一阶导。然后，传热系数测量系统基于目标对象的壁面材料热扩散系数、温度对壁面法向坐标的二阶导和温度对时间的一阶导，构建一维热传导方程。
具体的，传热系数测量系统基于目标对象的壁面材料热导热系数、壁面材料密度和壁面材料定压比热容，构建目标对象的壁面材料热扩散系数。传热系数测量系统基于温度和壁面法向坐标，构建温度对壁面法向坐标的二阶导。传热系数测量系统基于温度和时间，构建温度对时间的一阶导。
在一个实施例中，一维热传导方程可以表示为：
其中，T为目标对象的温度，t为时间，a为壁面材料热扩散系数，为壁面材料导热系数，/>为壁面材料密度，cp为壁面材料定压比热容，y为壁面法向坐标。
步骤402，基于环境温度和初始时刻沿法向方向的目标对象温度，构建初始条件。
在本申请实施例中，传热系数测量系统基于环境温度和初始时刻沿法向方向的目标对象温度，构建初始条件。
在一个实施例中，初始条件可以表示为：T(y,0)=T0。其中，T0为初始时刻的环境温度，T(y,0)为初始时刻沿法向方向的目标对象温度。
步骤403，基于目标对象的壁外侧温度、环境温度、目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建边界条件。
其中，一维热传导方程、初始条件和边界条件，构成一维瞬态导热模型。
在本申请实施例中，传热系数测量系统分别构建目标对象的壁内侧导热和壁外侧对流换热。然后，传热系数测量系统基于目标对象的壁外侧温度、环境温度、目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建边界条件。
上述传热系数测量方法，基于目标对象的壁面材料热扩散系数、温度对壁面法向坐标的二阶导和温度对时间的一阶导，构建一维热传导方程，基于环境温度和初始时刻沿法向方向的目标对象温度，构建初始条件，再基于目标对象的壁外侧温度、环境温度、目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建边界条件，一维热传导方程、初始条件和边界条件，构成一维瞬态导热模型。这样，基于一维热传导方程、半无限大平板假设和定热流密度的边界条件，构建一维热传导方程、初始条件和边界条件，实现对一维瞬态导热模型的构建，得到目标对象的壁面温度分布方程，更加符合本传热系数测量方法采用传热系数测量系统中的测量设备加热目标对象上的目标热膜的实际情况，能够提高传热系数测量的准确性。
在一个实施例中，边界条件包含第一条件和第二条件。如图5所示，基于目标对象的壁外侧温度、环境温度、目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建边界条件的具体过程包括以下步骤：
步骤501，基于环境温度和目标对象的壁外侧温度，构建第一条件。
其中，第一条件表征目标对象的壁外侧温度与环境温度相等。
在本申请实施例中，传热系数测量系统基于环境温度和目标对象的壁外侧温度，构建第一条件。
步骤502，基于目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建第二条件。
其中，第二条件表征单位面积的热流密度与目标对象的壁内侧导热与壁外侧对流换热的和相等。
在本申请实施例中，传热系数测量系统基于环境温度、目标对象的壁面材料导热系数和壁面法向坐标，构建目标对象的壁内侧导热。同时，传热系数测量系统基于传热系数、环境温度和壁面温度，构建目标对象的壁外侧对流换热。然后，传热系数测量系统基于目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建第二条件。其中，第一像素点的标定温度为壁面温度。
在一个实施例中，第一条件可以表示为：T(l,t)=T0。其中，T(l,t)为目标对象的壁外侧温度，T0为初始时刻的环境温度。第二条件可以表示为：
其中，q为单位面积的热流密度，为目标对象的壁内侧导热，h(T(0,t)-T0)为目标对象的壁外侧对流换热，h为传热系数，T(0,t)为第一像素点随时间t变化的标定温度，可以为红外相机拍摄10s，每秒30帧的温度数据，l为目标对象的壁厚，T为目标对象的温度，/>为壁面材料导热系数，y为壁面法向坐标。一维热传导模型可以表示为：
转换上述一维热传导模型，一维热传导模型还可以表示为：
其中，Nu为测量当地的努塞尔数，D为目标对象的气膜孔的孔径，为测量当地的空气导热系数。
上述传热系数测量方法，边界条件包含第一条件和第二条件，基于环境温度和目标对象的壁外侧温度，构建表征目标对象的壁外侧温度与环境温度相等的第一条件，基于目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建表征单位面积的热流密度与目标对象的壁内侧导热与壁外侧对流换热的和相等的第二条件。这样，基于定热流密度的边界条件，构建边界条件，更加符合本传热系数测量方法采用传热系数测量系统中的测量设备加热目标对象上的目标热膜的实际情况，能够提高传热系数测量的准确性。
在一个实施例中，目标表面的表面类型为曲面，如图6所示，根据各第一像素点的传热系数和目标表面的表面类型，确定目标表面的传热系数场的具体过程包括以下步骤：
步骤601，将第一像素点转换为目标表面的三维点，得到三维点的传热系数。
在本申请实施例中，传热系数测量系统通过数据处理设备，将第一像素点转换为目标表面的三维点，得到三维点的传热系数。其中，三维点为目标表面在空间中的三维坐标点。
具体的，传热系数测量系统获取目标对象的目标表面上的预设数目个标记点的三维坐标。然后，传热系数测量系统根据标记点的三维坐标、标记点的第一坐标和各第一像素点的第一坐标，确定各第一像素点对应的三维坐标，得到第一像素点对应的三维点。然后，传热系数测量系统将第一像素点的传热系数，作为第一像素点对应的三维点的传热系数。其中，标记点为用于坐标转换的定位的点。预设数目可以为6个。第一坐标为第一像素点的二维坐标。
步骤602，将三维点转换成目标表面的曲面展开图像的第二像素点，得到第二像素点的传热系数。
在本申请实施例中，传热系数测量系统通过数据处理设备，根据目标表面的三维点的坐标，确定三维点对应的目标表面的曲面展开图像的第二像素点的第二坐标。然后，传热系数测量系统通过数据处理设备，将三维点的传热系数作为三维点对应的第二像素点的传热系数。其中，曲面展开图像为将曲面展开成平面的图像。第二坐标为二维坐标点。
步骤603，将各第二像素点的传热系数，构成目标表面的传热系数场。
在本申请实施例中，传热系数测量系统通过数据处理设备，将各第二像素点的传热系数，构成目标表面的传热系数场。
上述传热系数测量方法，在目标表面的表面类型为曲面的情况下，将第一像素点转换为目标表面的三维点，得到三维点的传热系数，将三维点转换成目标表面的曲面展开图像的第二像素点，得到第二像素点的传热系数，再将各第二像素点的传热系数，构成目标表面的传热系数场。由于叶栅流道限制，包括气冷透平叶片表面在内的表面类型为曲面的目标表面的温度情况红外相机只能从侧面拍摄，这样将曲面的二维测量图像先转换成实际存在的三维图像，再将三维图像转换成曲面展开成平面的二维图像，能够消除由于在测量曲面过程中拍摄曲面得到的图像并非正面图像造成的传热系数场误差，将曲面展开成平面，也能够避免以忽略深度的方式将三维图像转换成二维图像造成的传热系数场误差，进一步提高传热系数场的准确性，也更加符合曲面的实际情况，实现传热系数测量方法在各种表面的应用。
在一个实施例中，采用本传热系数测量方法，对某一吹风工况下气膜冷却单元传热系数测量实验，实施步骤如下：1、调节主流风速和二次气流量到给定值；2、等待系统温度稳定，主流温度等于二次流温度；3、打开红外相机开始录制；4、打开直流电源，用定功率模式加热壁面10s；5、关闭电源，停止红外相机录制，得到平板表面随时间变化的温度值；6、将实验数据进行后处理。这样，可以在短时间内完成测量，拟合不确定度低，实验误差小，噪声低，操作步骤简便，不需要严格控制边界条件，实际工程应用更容易实施，并能够适应各种不同的实验条件，适用于更多复杂的传热场景，如非均匀表面、薄壁结构、流体与固体之间的传热等。
在一个实施例中，目标对象为气膜冷却单元，目标表面为平面，气膜冷却单元的气膜孔的孔径D=3mm，对目标对象进行传热系数测量，得到的气膜冷却单元传热系数图如图7所示，得到的气膜冷却单元拟合不确定度图如图8所示，得到的气膜冷却单元努塞尔数（Nusselt）图如图9所示。如图7所示，由测得的传热系数场得到的高精度传热系数等值图，可以观察到气膜冷却的轨迹。如图8所示，传热系数拟合不确定度小于1，具有很好的鲁棒性。图9为由测得的努塞尔数场得到的高精度努塞尔数等值图。
在一个实施例中，目标对象为气冷透平叶片，目标表面为曲面，气冷透平叶片的气膜孔的孔径D=1mm，对目标对象进行传热系数测量，得到的气冷透平叶片压力面传热系数图如图10所示，得到的曲面展开后的气冷透平叶片压力面传热系数图如图11所示，得到的气冷透平叶片压力面拟合不确定度图如图12所示，得到的曲面展开后的气冷透平叶片压力面拟合不确定度图如图13所示，得到的气冷透平叶片压力面努塞尔数（Nusselt）图如图14所示，得到的曲面展开后的气冷透平叶片压力面努塞尔数（Nusselt）图如图15所示。图12-13表示实验数据与模型的契合度，白色区域为热膜覆盖区域，黑色区域为热膜未覆盖区域，可见，热膜覆盖区域实验数据与模型的契合度很好。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图16所示。该计算机设备包括处理器、存储器、输入/输出接口、通信接口、显示单元和输入装置。其中，处理器、存储器和输入/输出接口通过系统总线连接，通信接口、显示单元和输入装置通过输入/输出接口连接到系统总线。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的输入/输出接口用于处理器与外部设备之间交换信息。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC（近场通信）或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种传热系数测量方法。该计算机设备的显示单元用于形成视觉可见的画面，可以是显示屏、投影装置或虚拟现实成像装置。显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图16中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
需要说明的是，本申请所涉及的用户信息（包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等）和数据（包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等），均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic RandomAccessMemory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种传热系数测量系统，其特征在于，所述传热系数测量系统包括：
定功率直流电源，与目标对象的目标表面上的目标热膜连接，用于在各吹风工况下，加热所述目标热膜；
测量设备，与数据处理设备通信连接，位于所述目标表面和所述目标热膜的前方，用于测量所述目标表面的温度，得到所述目标表面的多个测量图像；所述测量图像包括各第一像素点的标定温度；以及，
所述数据处理设备，用于根据预先构建的一维瞬态导热模型和所述各第一像素点的标定温度，确定所述各第一像素点的传热系数；根据所述各第一像素点的传热系数和所述目标表面的表面类型，确定所述目标表面的传热系数场；
其中，所述一维瞬态导热模型的构建过程包括：基于目标对象的壁面材料热扩散系数、温度对壁面法向坐标的二阶导和温度对时间的一阶导，构建一维热传导方程；基于环境温度和初始时刻沿法向方向的目标对象温度，构建初始条件；基于所述目标对象的壁外侧温度、所述环境温度、所述目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建边界条件；所述一维热传导方程、所述初始条件和所述边界条件，构成一维瞬态导热模型。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标热膜覆盖所述目标表面，所述目标热膜与所述目标表面完全贴合。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标热膜为挠性电路板热膜，所述目标热膜的线隙小于第一阈值，厚度小于第二阈值，线宽恒定。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量设备为红外热像仪，所述系统还包括锗玻璃视窗，所述锗玻璃视窗位于所述目标热膜和所述测量设备之间；所述定功率直流电源为可调节的定功率直流电源，所述定功率直流电源的功率根据所述吹风工况确定。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标表面为带孔表面。
6.一种传热系数测量方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-5任意一项所述传热系数测量系统，所述方法包括：
在各吹风工况下，加热目标对象的目标表面上的目标热膜；
测量所述目标表面的温度，得到所述目标表面的多个测量图像；所述测量图像包括各第一像素点的标定温度；
根据预先构建的一维瞬态导热模型和所述各第一像素点的标定温度，确定所述各第一像素点的传热系数；根据所述各第一像素点的传热系数和所述目标表面的表面类型，确定所述目标表面的传热系数场；
其中，所述一维瞬态导热模型的构建过程包括：基于目标对象的壁面材料热扩散系数、温度对壁面法向坐标的二阶导和温度对时间的一阶导，构建一维热传导方程；基于环境温度和初始时刻沿法向方向的目标对象温度，构建初始条件；基于所述目标对象的壁外侧温度、所述环境温度、所述目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建边界条件；所述一维热传导方程、所述初始条件和所述边界条件，构成一维瞬态导热模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述边界条件包含第一条件和第二条件；所述基于所述目标对象的壁外侧温度、所述环境温度、所述目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建边界条件包括：
基于所述环境温度和所述目标对象的壁外侧温度，构建所述第一条件；所述第一条件表征所述目标对象的壁外侧温度与所述环境温度相等；
基于所述目标对象的壁内侧导热、壁外侧对流换热和单位面积的热流密度，构建所述第二条件；所述第二条件表征所述单位面积的热流密度与所述目标对象的壁内侧导热与壁外侧对流换热的和相等。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述目标表面的表面类型为曲面，所述根据所述各第一像素点的传热系数和所述目标表面的表面类型，确定所述目标表面的传热系数场包括：
将所述第一像素点转换为所述目标表面的三维点，得到所述三维点的传热系数；
将所述三维点转换成所述目标表面的曲面展开图像的第二像素点，得到所述第二像素点的传热系数；
将各所述第二像素点的传热系数，构成所述目标表面的传热系数场。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求6至8中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求6至8中任一项所述的方法的步骤。
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