[發明專利]基于紅外熱像測溫技術的曲面薄壁加熱熱流分布測量方法

有效

• 申請號: 201811267171.5
• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109470363B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 鐘亮;王高峰;金宇奇;夏一帆
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發明公開了一種基于紅外熱像測溫技術的曲面薄壁加熱熱流分布測量方法，適用于壁厚遠小于壁面的長度、寬度，且沿厚度方向熱阻較小的曲面物體的熱流分布測量。本發明利用紅外熱像測溫技術實時記錄受熱薄壁的溫度場變化，對溫度場求時間導數和空間導數，利用投影關系得到曲面熱傳導項與平面熱傳導的轉換公式，通過求解二維非定常熱平衡方程來計算得到加熱熱流在曲面上的分布。在計算過程中，自然對流由于量級的差異可被忽略。該方法提供了一種非接觸的熱流測量方法，能夠實時測得曲面薄壁熱流的二維分布情況。

技術領域

本發明涉及一種曲面薄壁熱流分布測量方法，尤其涉及一種基于紅外熱像測溫技術的曲面薄壁加熱熱流分布測量方法，該方法是基于紅外熱像測溫技術測量并記錄曲面薄壁在加熱時的溫度場變化來計算曲面薄壁受熱熱流分布的方法。

背景技術

目前壁面熱流測量的方法主要有三種：(1)采用電阻式溫度傳感器，通過輸出的電信號得到已知電阻的溫度梯度，利用傅里葉定律，計算壁面熱流，例如柱塞式熱流計；(2)采用熱電偶式溫度傳感器，通過測量表面溫差實現熱流測量，例如薄膜熱電偶；(3)是利用量熱元件吸入熱量，測量量熱元件的平均溫度變化率，再計算表面熱流率，例如塞形銅箔量熱計。

現有的壁面熱流測量方法都是一次測量一個點的熱流強度，不能解決整塊區域內的實時熱流分布問題；而且需要接觸測量，其精度由熱流傳感器與被測物粘貼緊密程度、熱流傳感器厚度、熱流傳感器邊長決定，對于某些復雜的結構來說傳感器的安裝較為不便。

同時，對于非接觸式的曲面熱流的測量，還沒有人提出。

發明內容

本發明的目的在于針對目前技術的不足，提供一種基于紅外熱像測溫技術的曲面薄壁加熱熱流分布測量方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的，一種基于紅外熱像測溫技術的曲面薄壁加熱熱流分布測量方法，具體步驟如下，

1)選擇密度、比熱容和熱傳導系數已知且Bi數遠小于1的曲面物體，利用紅外熱像測溫技術實時記錄受熱物體壁面的溫度場變化；

2)對于該曲面物體，借助三維坐標儀描繪其曲面輪廓線的坐標點，利用最小二乘法擬合出輪廓線的曲線函數；

3)利用投影關系得到曲面熱傳導與平面熱傳導的轉換公式；

4)忽略沿厚度方向的熱阻，將物體加熱熱流分布問題簡化成二維非定常傳熱問題，推導出非定常熱平衡方程；

5)將步驟1)中測量得到的溫度場對時間和空間分別求導，計算得到熱溫升非定常項和熱傳導項，忽略自然對流，根據步驟4)的非定常熱平衡方程計算加熱熱流。

上述技術方案中，進一步的，所述的步驟1)具體為：利用紅外熱像測溫技術實時記錄受熱薄壁的溫度場變化，記錄過程從初始加熱時刻開始到物體溫度基本不變。

進一步的，所述的步驟2)具體為：借助三維坐標儀進行曲面輪廓線的測繪工作，根據測繪點的坐標，以最小二乘法擬合得到曲線函數，曲線函數的導數即為曲面微元映射到平面的投影角的正弦值。

進一步的，所述的步驟3)具體為：利用投影關系，在曲面和投影平面上建立一一對應的溫度場，在曲面微元和投影平面微元上建立沿徑向和切向的坐標系，根據投影關系通過平面熱傳導項計算曲面微元上的熱傳導項，具體如下：

在平面上，以曲面薄壁的中心點設為原點O，對一微元，采用極坐標中的(r，θ)來定義微元位置，建立笛卡爾坐標系uv，分別沿微元的切向和徑向方向，區別于傳統直角坐標系xy，按照這個坐標系統中，熱傳導項表示為：