CN117054475A - 一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法及系统，该方法包括：步骤S1：建立固态储氢材料内部瞬态传热模型；步骤S2：加热固态储氢材料表面，选择M个取样点，测量M个取样点的温度步骤S3：基于固态储氢材料内部瞬态传热模型，数值计算M个测点的温度步骤S4：建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数；步骤S5：基于序列二次规划方案和初始猜测值向量E0，对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代修正形成；步骤S6：判断是否继续进行迭代更新；步骤S7：迭代结束后输出作为测量结果。该系统用来执行上述方法。本发明具有原理简单、操作简便、功能集成度高等优点。

Description

一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法及系统
技术领域
本发明主要涉及到固态储氢材料物性测量技术领域，特指一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法及系统。
背景技术
全球气候变暖严重威胁人类生存，发展清洁能源、降低二氧化碳排放是缓解全球气候变暖的重要途径。氢能是一种绿色低碳的清洁能源，被誉为二十一世纪的终极能源，推动氢能应用对于降低二氧化碳排放具有重要意义。氢气的高密度、高安全性储存对于氢能的推广应用至关重要。
合金固态储氢具有体积储氢密度高、安全性好等优点，具有良好发展前景。固态储氢材料热力学分析是材料研发和应用的重要环节，材料的导热系数和比热容是热力学分析的基础参数，其准确测量至关重要。发展准确有效的导热系数和比热容测量方法，对于促进固态储氢材料应用具有重要意义。
传统的固态储氢材料导热系数或比热容测量是采用直接测量的方式，即通过测量固态储氢材料在受热后的温度上升情况，直接计算得到材料的导热系数或比热容。这种测量方法对温度测量误差的敏感性大，随机误差对测量结果影响较大，需要严格控制实验条件，而且这类方法仅能得到固态储氢材料的一种物性参数(导热系数或比热容)，难以实现两种热物性参数的同时测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、功能集成度高的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其包括：
步骤S1：给定固态储氢材料导热系数和比热容的初始猜测值向量E0，建立固态储氢材料内部瞬态传热模型；
步骤S2：采用平面热源加热固态储氢材料表面，在固态储氢材料表面选择M个取样点，利用红外热像仪测量M个取样点的温度其中，m＝1,2,…,M；
步骤S3：基于固态储氢材料内部瞬态传热模型，数值计算M个测点的温度其中，m＝1,2,…,M；
步骤S4：根据M个测点的温度测量值和计算值，建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数；
步骤S5：基于序列二次规划方案和初始猜测值向量E0，对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代修正形成；
步骤S6：检验迭代停止条件是否已经达到，如果满足停止条件，则进入步骤S7，否则继续对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代更新；
步骤S7：记录此时由导热系数和比热容组成的参数向量E，输出作为测量结果，结束测量。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，所述初始猜测值向量E0由导热系数和比热容组成，其表达式为E0＝[k,c]T，其中的k为固态储氢材料的导热系数，c为固态储氢材料的比热容。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，所述固态储氢材料内部瞬态传热模型包括固态储氢材料内部传热过程和平面热源加热下的热边界条件。
作为本发明方法的进一步改进：所述固态储氢材料内部传热过程采用如下能量方程描述：
其中，ρ为固态储氢材料的密度，k为固态储氢材料的导热系数，c为固态储氢材料的比热容，T为固态储氢材料的温度，t为时间；x、y和z分别为固态储氢材料在x轴方向、y轴方向和z轴方向的坐标，其中固态储氢材料受热面定义为x＝0平面，坐标系遵循右手定则。
作为本发明方法的进一步改进：所述平面热源加热下的热边界条件表示如下：
其中，Ta为环境温度，Lx、Ly和Lz分别为固态储氢材料在x轴方向、y轴方向和z轴方向的长度，h为固态储氢材料与环境之间的自然对流换热系数，q为固态储氢材料表面的平面热源热流密度。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，所述在固态储氢材料表面选择M个取样点是在固态储氢材料受热表面上沿y轴方向和z轴方向均匀选取。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，所述数值计算M个测点的温度温度是采用数值计算方法求解能量方程，计算得到表面M个测点的温度/>
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S4中，所述建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数，其表达式为：
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S5中，所述序列二次规划方案用来使上述目标函数最小化，重构得到固态储氢材料的导热系数和比热容；
序列二次规划方案优化问题表示如下：
min F(E)
s.t.ri(E)＝0,i∈{1,2,...,m}
其中，r为约束条件，m为约束条件个数；优化问题转化为如下二次规划子问题：
其中，j为迭代次数，dj为搜索方向，H为如下拉格朗日方程Hesse矩阵的近似：
其中，λ为拉格朗日乘子；引入如下罚函数对每代的优化解进行评估：
其中，r为罚因子；每次迭代的搜索步长αj按照下式计算：
其中，满足/>
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S5中，所述对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代修正，是根据上述计算得到的搜索方向dj和搜索步长αj，按照下式更新热物性参数向量E：
Ej+1＝Ej+αjdj。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S6中，所述迭代停止条件用来使目标函数值减小到一个较小的正数ε或迭代次数达到指定的最大迭代次数，即满足下述条件之一：
F(Ej)<ε
j＝jmax
其中，jmax为指定的最大迭代次数。
本发明进一步提供一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量系统，其包括：
平面热源，用来对固态储氢材料的表面进行加热；
红外热像仪，用来采集固态储氢材料表面取样点的温度；
数据处理系统，用来根据取样点的温度测量值和计算值，建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数，通过分析和运算，输出测量结果。
作为本发明系统的进一步改进：所述红外热像通过一红外热像仪固定支撑装置来支承于固态储氢材料的上方；所述红外热像仪固定支撑装置包括第一底座和第一支承臂，所述第一支承臂的一端连接于第一底座上，所述第一支承臂的另一端用来连接红外热像仪，通过所述第一支承臂可以调节红外热像仪与固态储氢材料之间的距离。
作为本发明系统的进一步改进：所述平面热源通过一平面热源固定支撑装置来支承于固态储氢材料的上方；所述平面热源固定支撑装置包括第二底座和第二支承臂，所述第二支承臂的一端连接于第二底座上，所述第二支承臂的另一端用来连接平面热源，通过所述第二支承臂可以调节平面热源与固态储氢材料之间的距离。
作为本发明系统的进一步改进：所述固态储氢材料放置于一支撑台架上；所述支撑台架为升降式台架。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
1、本发明的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法及系统，原理简单、操作简便、功能集成度高，通过数值重构的方式同时测量两种热物性参数，抗误差干扰能力强，解决多个热物性参数同时准确测量问题。
2、本发明的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法及系统，采用平面光源加热固态储氢材料表面，利用序列二次规划模块重构固态储氢材料的导热系数和比热容。该方法对固态储氢材料的形态、大小、种类等没有限制，可以同时测量得到固态储氢材料的导热系数和比热容，对于促进氢能利用具有重要意义，并具有较强的工程实用价值。。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明在具体应用实例中测量系统的原理示意图。
图3是本发明在具体应用实例中真实热物性参数和测量结果对应固态储氢材料表面测点温度变化的示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其基本创新原理就在于：先利用平面热源加热固态储氢材料；然后利用红外热像仪测量材料表面的温度；接下来，根据本发明所建立的序列二次规划模块，重构获得固态储氢材料的导热系数和比热容。本发明通过序列二次规划模块，可以利用材料表面的瞬态温度响应，同时重构固态储氢的导热系数和比热容，并明显降低随机误差对测量结果的影响，形成固态储氢材料的热物性参数测量的有效技术方案。
如图1所示，本发明在具体应用实例中包括以下流程：
步骤S1：给定固态储氢材料导热系数和比热容的初始猜测值向量E0，建立固态储氢材料内部瞬态传热模型；
步骤S2：采用平面热源加热固态储氢材料表面，在固态储氢材料表面选择M个取样点，利用红外热像仪测量M个取样点的温度其中，m＝1,2,…,M；
步骤S3：基于固态储氢材料内部瞬态传热模型，数值计算M个测点的温度其中，m＝1,2,…,M；
步骤S4：根据M个测点的温度测量值和计算值，建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数；
步骤S5：基于序列二次规划方案(SQP)和初始猜测值向量E0，对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代修正形成；
步骤S6：检验迭代停止条件是否已经达到，如果满足停止条件，则进入步骤S7，否则继续对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代更新；
步骤S7：记录此时由导热系数和比热容组成的参数向量E，输出作为测量结果，结束测量。
在具体应用实例中，所述步骤S1中，所述初始猜测值向量E0由导热系数和比热容组成，其表达式为E0＝[k,c]T，其中的k为固态储氢材料的导热系数，c为固态储氢材料的比热容。
在具体应用实例中，所述步骤S1中，所述固态储氢材料内部瞬态传热模型包括固态储氢材料内部传热过程和平面热源加热下的热边界条件。
其中，所述固态储氢材料内部传热过程采用如下能量方程描述：
其中，ρ为固态储氢材料的密度，k为固态储氢材料的导热系数，c为固态储氢材料的比热容，T为固态储氢材料的温度，t为时间；x、y和z分别为固态储氢材料在x轴方向、y轴方向和z轴方向的坐标，其中固态储氢材料受热面定义为x＝0平面(参见图2所示)，坐标系遵循右手定则。
其中，所述平面热源加热下的热边界条件表示如下：
其中，Ta为环境温度，Lx、Ly和Lz分别为固态储氢材料在x轴方向、y轴方向和z轴方向的长度，h为固态储氢材料与环境之间的自然对流换热系数，q为固态储氢材料表面的平面热源热流密度。
在具体应用实例中，所述步骤S2中，所述在固态储氢材料表面选择M个取样点是在固态储氢材料受热表面上沿y轴方向和z轴方向均匀选取。
在具体应用实例中，所述步骤S3中，所述数值计算M个测点的温度是采用数值计算方法(如有限体积法、有限元法等)求解能量方程，即公式(1)，计算得到表面M个测点的温度/>
在具体应用实例中，所述步骤S4中，所述建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数，其表达式为：
在具体应用实例中，所述步骤S5中，所述序列二次规划方案，其主要目的是使上述目标函数最小化，重构得到固态储氢材料的导热系数和比热容；序列二次规划方案优化问题表示如下：
其中，r为约束条件，m为约束条件个数；优化问题(9)可转化为如下二次规划子问题：
其中，j为迭代次数，dj为搜索方向，H为如下拉格朗日方程Hesse矩阵的近似：
其中，λ为拉格朗日乘子；引入如下罚函数对每代的优化解进行评估：
其中，r为罚因子；每次迭代的搜索步长αj按照下式计算：
其中，满足/>
在具体应用实例中，所述步骤S5中，所述对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代修正，是根据上述计算得到的搜索方向dj和搜索步长αj，按照下式更新热物性参数向量E：
Ej+1＝Ej+αjdj (7)
在具体应用实例中，所述步骤S6中，所述迭代停止条件，是指目标函数值减小到一个较小的正数ε或迭代次数达到指定的最大迭代次数，即满足下述条件之一：
F(Ej)<ε (8)
j＝jmax (9)
其中，jmax为指定的最大迭代次数。
本发明在一个具体应用实例中，采用本发明方法进行固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的实例。
固态储氢材料的密度设置为ρ＝6100kg/m3，固态储氢材料的几何尺寸为Lx＝0.3m，Ly＝0.8m，Lz＝0.8m，平面热源加热功率密度q＝50000W/m2，固态储氢材料与环境之间的自然对流换热系数为h＝7W/(m2·℃)，环境温度为Ta＝25℃；固态储氢材料的初始温度为T0＝25℃，导热系数真值为k＝19.6W/(m·℃)，比热容真值为c＝695J/(kg·℃)。
利用本发明所述方法测量得到的固态储氢材料热物性参数向量为E＝[19.6004,694.9923]T，即测量得到碳纤维复合材料的导热系数为19.6004W/(m·℃)，比热容为694.9923J/(kg·℃)，真实热物性参数和本发明测量结果对应的取样点温度变化曲线如图2所示。
参见图3所示，本发明进一步提供一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量系统，包括：
平面热源1，用来对固态储氢材料7的表面进行加热；
红外热像仪2，用来采集固态储氢材料7表面取样点的温度；
数据处理系统3，用来根据取样点(测点)的温度测量值和计算值，建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数，通过分析和运算，输出测量结果。
在具体应用实例中，所述红外热像仪2通过一红外热像仪固定支撑装置5来支承于固态储氢材料7的上方。所述红外热像仪固定支撑装置5包括第一底座和第一支承臂，所述第一支承臂的一端连接于第一底座上，所述第一支承臂的另一端用来连接红外热像仪2，通过所述第一支承臂可以调节红外热像仪2与固态储氢材料7之间的距离。
在具体应用实例中，所述平面热源1通过一平面热源固定支撑装置6来支承于固态储氢材料7的上方。所述平面热源固定支撑装置6包括第二底座和第二支承臂，所述第二支承臂的一端连接于第二底座上，所述第二支承臂的另一端用来连接平面热源1，通过所述第二支承臂可以调节平面热源1与固态储氢材料7之间的距离。
在具体应用实例中，固态储氢材料7放置于一支撑台架4上。作为优选实施例，所述支撑台架4为升降式台架。本实例中升降式台架采用折叠伸缩式结构。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，包括：
步骤S1：给定固态储氢材料导热系数和比热容的初始猜测值向量E0，建立固态储氢材料内部瞬态传热模型；
步骤S2：采用平面热源加热固态储氢材料表面，在固态储氢材料表面选择M个取样点，利用红外热像仪测量M个取样点的温度其中，m＝1,2,…,；
步骤S3：基于固态储氢材料内部瞬态传热模型，数值计算M个测点的温度其中，m＝1,2,…,；
步骤S4：根据M个测点的温度测量值和计算值，建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数；
步骤S5：基于序列二次规划方案和初始猜测值向量E0，对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代修正形成；
步骤S6：检验迭代停止条件是否已经达到，如果满足停止条件，则进入步骤S7，否则继续对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代更新；
步骤S7：记录此时由导热系数和比热容组成的参数向量E，输出作为测量结果，结束测量。
2.根据权利要求1所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述初始猜测值向量E0由导热系数和比热容组成，其表达式为E0＝[k,c]T，其中的k为固态储氢材料的导热系数，c为固态储氢材料的比热容。
3.根据权利要求1所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述固态储氢材料内部瞬态传热模型包括固态储氢材料内部传热过程和平面热源加热下的热边界条件。
4.根据权利要求3所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述固态储氢材料内部传热过程采用如下能量方程描述：
其中，ρ为固态储氢材料的密度，k为固态储氢材料的导热系数，c为固态储氢材料的比热容，T为固态储氢材料的温度，t为时间；x、y和z分别为固态储氢材料在x轴方向、y轴方向和z轴方向的坐标，其中固态储氢材料受热面定义为x＝0平面，坐标系遵循右手定则。
5.根据权利要求3所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述平面热源加热下的热边界条件表示如下：
其中，Ta为环境温度，Lx、Ly和Lz分别为固态储氢材料在x轴方向、y轴方向和z轴方向的长度，h为固态储氢材料与环境之间的自然对流换热系数，q为固态储氢材料表面的平面热源热流密度。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述在固态储氢材料表面选择M个取样点是在固态储氢材料受热表面上沿y轴方向和z轴方向均匀选取。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述数值计算M个测点的温度温度是采用数值计算方法求解能量方程，计算得到表面M个测点的温度/>
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数，其表达式为：
。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述序列二次规划方案用来使上述目标函数最小化，重构得到固态储氢材料的导热系数和比热容；
序列二次规划方案优化问题表示如下：
minF(E)
s.t.ri(E)＝0,i∈{1,2,...,m}
其中，r为约束条件，m为约束条件个数；优化问题转化为如下二次规划子问题：
其中，j为迭代次数，dj为搜索方向，H为如下拉格朗日方程Hesse矩阵的近似：
其中，λ为拉格朗日乘子；引入如下罚函数对每代的优化解进行评估：
其中，r为罚因子；每次迭代的搜索步长αj按照下式计算：
其中，θ满足0<θ<1。
10.根据权利要求1-5中任意一项所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述对固态储氢材料热物性参数向量E进行迭代修正，是根据上述计算得到的搜索方向dj和搜索步长αj，按照下式更新热物性参数向量E：
Ej+1＝Ej+αjdj。
11.根据权利要求1-5中任意一项所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述迭代停止条件用来使目标函数值减小到一个较小的正数ε或迭代次数达到指定的最大迭代次数，即满足下述条件之一：
F(Ej)<ε
j＝jmax
其中，jmax为指定的最大迭代次数。
12.一种固态储氢材料导热系数和比热容同时测量系统，其特征在于，包括：
平面热源，用来对固态储氢材料的表面进行加热；
红外热像仪，用来采集固态储氢材料表面取样点的温度；
数据处理系统，用来根据取样点的温度测量值和计算值，建立固态储氢材料导热系数和比热容同时测量的目标函数，通过分析和运算，输出测量结果。
13.根据权利要求12所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量系统，其特征在于，所述红外热像通过一红外热像仪固定支撑装置来支承于固态储氢材料的上方；所述红外热像仪固定支撑装置包括第一底座和第一支承臂，所述第一支承臂的一端连接于第一底座上，所述第一支承臂的另一端用来连接红外热像仪，通过所述第一支承臂可以调节红外热像仪与固态储氢材料之间的距离。
14.根据权利要求12所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量系统，其特征在于，所述平面热源通过一平面热源固定支撑装置来支承于固态储氢材料的上方；所述平面热源固定支撑装置包括第二底座和第二支承臂，所述第二支承臂的一端连接于第二底座上，所述第二支承臂的另一端用来连接平面热源，通过所述第二支承臂可以调节平面热源与固态储氢材料之间的距离。
15.根据权利要求12所述的固态储氢材料导热系数和比热容同时测量系统，其特征在于，所述固态储氢材料放置于一支撑台架上；所述支撑台架为升降式台架。
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