[發(fā)明專利]一種基于超聲波的瞬態(tài)轉(zhuǎn)捩熱流的無(wú)損探測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611006569.4
• 申請(qǐng)日: 2016-11-16
• 公開（公告）號(hào): CN106768466B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 石友安;魏東;桂業(yè)偉;杜雁霞;曾磊;邱波;劉驍;代光月
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 石友安
• 主分類號(hào): G01K11/24
• 分類號(hào): G01K11/24
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明公開了一種基于超聲波的瞬態(tài)轉(zhuǎn)捩熱流的無(wú)損探測(cè)方法，本發(fā)明基于超聲波在固體結(jié)構(gòu)中的傳播時(shí)間，通過(guò)求解波傳播路徑和熱傳導(dǎo)反問(wèn)題，反演導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度變化的瞬態(tài)轉(zhuǎn)捩熱流，同時(shí)，較為精確的計(jì)算出轉(zhuǎn)捩位置。本發(fā)明公開的超聲無(wú)損探測(cè)方法，無(wú)需破壞結(jié)構(gòu)，有效的保證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，直接求解超聲波路徑方程和二維熱傳導(dǎo)反問(wèn)題，減小了轉(zhuǎn)捩熱流測(cè)量的原理性誤差，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，分辨率高、穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)捩熱流和轉(zhuǎn)捩位置的同時(shí)高精度測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及邊界層瞬態(tài)轉(zhuǎn)捩熱流和轉(zhuǎn)捩位置的非接觸測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種基于超聲波的瞬態(tài)轉(zhuǎn)捩熱流的無(wú)損探測(cè)方法。

背景技術(shù)

邊界層轉(zhuǎn)捩熱流和轉(zhuǎn)捩位置的測(cè)量，不僅在航空航天領(lǐng)域，而且在船舶、機(jī)械制造、化工等領(lǐng)域都有重要的實(shí)用價(jià)值。由于轉(zhuǎn)捩過(guò)程包含復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，譬如層流失穩(wěn)、T-S波的產(chǎn)生與發(fā)展、流向渦和三維擾動(dòng)等，對(duì)轉(zhuǎn)捩機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不完善，實(shí)驗(yàn)是轉(zhuǎn)捩研究最主要的手段。目前，對(duì)于轉(zhuǎn)捩熱流和位置的測(cè)量主要采用近壁接觸式測(cè)溫法，即通過(guò)安裝溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。但這種方法存在一些局限性，如打孔安裝傳感器容易破壞結(jié)構(gòu)的固有形態(tài)導(dǎo)致局部的溫度變化或應(yīng)力集中，并且其響應(yīng)速度較緩，實(shí)時(shí)測(cè)量尚存在一些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種在邊界層轉(zhuǎn)捩熱流和轉(zhuǎn)捩位置的測(cè)量中，可以實(shí)時(shí)高精度無(wú)損測(cè)量二維時(shí)變的轉(zhuǎn)捩熱流和轉(zhuǎn)捩位置的方法；

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于超聲波在固體結(jié)構(gòu)中的傳播時(shí)間，通過(guò)求解波傳播路徑問(wèn)題和熱傳導(dǎo)反問(wèn)題，反演導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度變化的瞬態(tài)轉(zhuǎn)捩熱流，同時(shí)，較為精確的計(jì)算出轉(zhuǎn)捩位置。

本發(fā)明的特征在于：

瞬態(tài)轉(zhuǎn)捩熱流的獲取需要求解超聲波波傳播路徑和熱傳導(dǎo)相耦合的反問(wèn)題，在熱傳導(dǎo)反問(wèn)題中測(cè)量信號(hào)是K條傳播路徑上超聲波的脈沖回波傳播時(shí)間；

式中：K表示傳播路徑的總數(shù)；sk是第k條傳播路徑；ttof是超聲波的傳播時(shí)間,；Tsk是當(dāng)?shù)販囟龋籲表示測(cè)量時(shí)間點(diǎn)數(shù)。

在超聲波傳播路徑求解中，需要耦合溫度分布，根據(jù)最速傳播原則求解超聲波傳播路徑方程。

本發(fā)明實(shí)施的具體步驟是：

步驟一：向熱邊界的方向（簡(jiǎn)稱A向）激發(fā)垂直入射的超聲信號(hào)，經(jīng)熱邊界反饋后接收回波信號(hào)，得到第k條傳播路徑上時(shí)刻的傳播時(shí)間。

根據(jù)轉(zhuǎn)捩熱流測(cè)量精度的需要，沿著平行熱邊界的方向（簡(jiǎn)稱B向），形成n點(diǎn)均布的掃描，得到共計(jì)K條傳播路徑上傳播時(shí)間。

步驟三：根據(jù)超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量誤差建立目標(biāo)泛函：

式中，為待辨識(shí)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)捩熱流； 為轉(zhuǎn)捩熱流加載的邊界。是計(jì)算傳播時(shí)間與測(cè)量傳播時(shí)間的偏差；為數(shù)值計(jì)算得到的第k條路徑上時(shí)刻的超聲波傳播時(shí)間。

步驟四：基于優(yōu)化思想，將反問(wèn)題求解過(guò)程，轉(zhuǎn)為帶約束條件的優(yōu)化問(wèn)題。

反問(wèn)題描述：已知測(cè)量得到的超聲波渡越時(shí)間ttof，求解約束條件中的邊界熱流。

約束條件:

式中：ρ為材料密度；為材料比熱；為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；為超聲波入射邊界；是余下的邊界；a，b分別是傳播路徑的起始點(diǎn)和重點(diǎn)。

步驟五：耦合溫度分布，根據(jù)最速傳播原則，建立傳播路徑方程：

式中：為y關(guān)于x的二階導(dǎo)數(shù)；為y關(guān)于x的一階導(dǎo)數(shù)。