基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面加熱熱流分布測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面加熱熱流分布測量方法，該方法利用紅外熱像技術(shù)記錄隨時間變化的加熱壁面的溫度場，選取的物體壁厚均勻且沿厚度方向熱阻較小，因此可以將壁面加熱問題簡化成二維非定常傳熱問題，得到非定常熱平衡方程，然后將測量得到的溫度場對時間和空間求導(dǎo)，忽略自然對流和熱輻射，計算得到二維分布的加熱熱流。該方法提供了一種非接觸的測熱流方法，能夠?qū)崟r測得壁面熱流的二維分布情況。

Measurement method of unsteady wall heating heat flux distribution based on infrared thermography

The invention discloses an infrared temperature measurement technology based on the unsteady wall heat flux distribution measurement method, time-dependent infrared thermography recorded by the method of temperature field of the heating surface, wall thickness and the object selected smaller resistance along the thickness direction, so the problem can be simplified to a two-dimensional non heated wall the unsteady heat transfer problem, obtained unsteady heat balance equation, and then the temperature field measured on time and space differentiation, ignoring the natural convection and heat radiation, the calculated heat flux distribution of the two-dimensional. The method provides a non-contact method of measuring heat flow, which can be used to measure the two-dimensional distribution of wall heat flow in real time.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面加熱熱流分布測量方法
本專利技術(shù)涉及一種壁面受熱熱流分布測量方法，尤其涉及一種利用紅外熱像測溫技術(shù)測量記錄壁面在加熱源(如火焰、電熱器、熱氣體等)加熱時的溫度場變化來計算受熱熱流分布的方法。
技術(shù)介紹
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(xiàn)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(xiàn)有的壁面熱流測量方法都是一次測量一個點的熱流強(qiáng)度，不能解決整塊區(qū)域內(nèi)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)來說傳感器的安裝較為不便。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于針對目前技術(shù)的不足，提供一種非接觸式基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面加熱熱流分布測量方法。本專利技術(shù)的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，一種非接觸式基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面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(dǎo)系數(shù)已知的物體，壁厚均勻，可近似成平板，其Bi數(shù)遠(yuǎn)小于1，利用紅外測溫技術(shù)記錄隨時間變化的加熱壁面的溫度場；(2)由于Bi數(shù)遠(yuǎn)小于1，則忽略壁面厚度方向熱阻，將物體加熱問題簡化成二維非定常傳熱問題，得到非定常熱平衡方程；(3)將步驟1)中測量得到的溫度場對時間和空間分別求導(dǎo)，計算熱溫升非定常項和熱傳導(dǎo)項，忽略自然對流和熱輻射，根據(jù)步驟2)的非定常熱平衡方程計算加熱熱流。上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步的，所述的步驟1)具體為：利用紅外測溫技術(shù)記錄物體壁面隨時間變化的溫度場，記錄過程從初始加熱時刻開始到物體溫度基本不變。進(jìn)一步的，所述的步驟2)具體為：由于物體Bi數(shù)遠(yuǎn)小于1，可采用集中參數(shù)法，忽略沿厚度方向的熱阻，認(rèn)為物體兩個表面沿厚度方向基本不存在溫差，將物體加熱問題簡化成二維非定常傳熱問題，得到非定常熱平衡方程，即熱溫升非定常項＝熱傳導(dǎo)項+熱源項+自然對流項+輻射項方程包含有5個項，從左到右依次是壁面溫度由于加熱導(dǎo)致的隨時間變化的非定常項，壁面自身的熱傳導(dǎo)項，加熱熱源項，自然對流項和輻射項。進(jìn)一步的，所述的步驟3)具體為：將通過紅外測溫技術(shù)測量得到的壁面溫度場對時間求導(dǎo)，再乘上已知的壁面材料的密度和比熱容參數(shù)，計算得到非定常項；將壁面溫度場對空間求導(dǎo)，乘以壁面的熱傳導(dǎo)系數(shù)，計算得到熱傳導(dǎo)項。經(jīng)實驗測試發(fā)現(xiàn)，往往在加熱初期，壁面溫度不高，自然對流項和輻射項都比較小，與平均加熱熱流強(qiáng)度值相差至少2個數(shù)量級，因此自然對流和輻射散熱項可以忽略。本專利技術(shù)的有益效果是，本專利技術(shù)通過紅外熱像技術(shù)記錄壁面整塊區(qū)域內(nèi)隨時間變化的溫度場，再將溫度場對空間和時間求導(dǎo)，計算非定常熱平衡方程，得到測量區(qū)域內(nèi)的實時瞬態(tài)的加熱熱流分布。不同于現(xiàn)有的壁面熱流傳感器需要接觸壁面，該方法實現(xiàn)非接觸式測量，可適用于各種復(fù)雜壁面的熱流測量。同時現(xiàn)有的壁面熱流傳感器在同一時刻只能測量壁面的一個點的熱流值，本專利技術(shù)則可以同時測量一個二維區(qū)域的熱流分布，極大的提高了測量效率，適用于更廣泛的工程環(huán)境，具有很大的工程及生產(chǎn)實踐意義，有很大的應(yīng)用前景。附圖說明下面結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)做進(jìn)一步說明。圖1為測量裝置示意圖；圖2為本專利技術(shù)具體實例方法的流程圖；圖3為不同加熱源分別加熱時的三個時刻的溫度場分布；圖4為不同加熱源分別加熱時某一時刻對應(yīng)的熱流圖；圖中1.加熱源2.受熱平板(半徑為R，直徑為d)3.紅外熱像儀4.圖形處理器。具體實施方式本專利技術(shù)是基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面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(dǎo)系數(shù)已知的物體，壁厚均勻，可近似成平板，其Bi數(shù)(畢渥數(shù))遠(yuǎn)小于1，利用紅外測溫技術(shù)記錄隨時間變化的加熱壁面的溫度場：利用紅外測溫技術(shù)記錄物體壁面隨時間變化的溫度場，記錄過程從初始加熱時刻開始到物體溫度基本不變。2、由于Bi數(shù)遠(yuǎn)小于1，則忽略壁面厚度方向熱阻，將物體加熱問題簡化成二維非定常傳熱問題，得到非定常熱平衡方程；物體Bi數(shù)遠(yuǎn)小于1，則可采用集中參數(shù)法，忽略沿厚度方向的熱阻，認(rèn)為物體兩個表面沿厚度方向基本不存在溫差，將物體加熱問題簡化成二維非定常傳熱問題，得到非定常熱平衡方程，即熱溫升非定常項＝熱傳導(dǎo)項+熱源項+自然對流項+輻射項方程包含有5個項，從左到右依次是壁面溫度由于加熱導(dǎo)致的隨時間變化的非定常項，壁面自身的熱傳導(dǎo)項，加熱熱源項，自然對流項和輻射項。3、將步驟1中測量得到的溫度場對時間和空間分別求導(dǎo)，計算熱溫升非定常項和熱傳導(dǎo)項，忽略自然對流和熱輻射，根據(jù)步驟2的非定常熱平衡方程計算加熱熱流；將通過紅外測溫技術(shù)測量得到的壁面溫度場對時間求導(dǎo)，再乘上已知的壁面材料的密度和比熱容參數(shù)，計算得到非定常項；將壁面溫度場對空間求導(dǎo)，乘以壁面的熱傳導(dǎo)系數(shù)，計算得到熱傳導(dǎo)項。經(jīng)實驗測試發(fā)現(xiàn)，往往在加熱初期，壁面溫度不高，自然對流項和輻射項都比較小，與平均加熱熱流強(qiáng)度值相差至少2個數(shù)量級，因此自然對流和輻射散熱項可以忽略。以下通過實施例對本
技術(shù)實現(xiàn)思路
做進(jìn)一步解釋。實驗采用鋁制圓形平板，厚度為2.5mm，半徑為152mm，定壓熱容cp為880J/(kg·K)，密度ρ為2700kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)κp為237W/(m·K)，由于壁厚只有2.5mm，而平板半徑為152mm，其Bi數(shù)遠(yuǎn)小于1，沿厚度方向的熱阻很小，可以忽略。平板正上方1m處放置紅外成像儀，并連接圖像處理器，整個實驗裝置如圖1。加熱源為電加熱片，加熱源1為方形加熱片，而加熱源2為圓形加熱片，均為恒定熱流加熱片。按照圖2所示的流程圖進(jìn)行實驗和計算。圖3是平板在不同加熱器加熱情況下分別在t＝10s，t＝15s，t＝20s三個時刻的溫度場分布。圖4第一排是將溫度場對時間求一階導(dǎo)數(shù)所得到得壁面隨時間變化的非定常項分布圖。將溫度場對二維空間求二階導(dǎo)數(shù)，得到圖4中間所示的空間熱傳導(dǎo)項的分布圖。邊界條件為均勻熱流邊界條件，根據(jù)自然對流經(jīng)驗公式和熱輻射公式W＝σ(ΔT)4，在加熱初期，代入各項參數(shù)，計算自然對流項和熱輻射項，發(fā)現(xiàn)其和非定常項或熱傳導(dǎo)項相差至少2個數(shù)量級，因此可以忽略自然對流項和熱輻射項，從而計算得到圖4最下排所示的非定常加熱平板的熱源分布圖。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面加熱熱流分布測量方法，其特征在于，具體步驟如下：(1)選擇密度、比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)已知的物體，壁厚均勻，且其Bi數(shù)遠(yuǎn)小于1，利用紅外測溫技術(shù)記錄隨時間變化的加熱壁面的溫度場；(2)忽略物體沿厚度方向熱阻，將物體加熱問題簡化成二維非定常傳熱問題，得到非定常熱平衡方程；(3)將步驟1)中測量得到的溫度場對時間和空間分別求導(dǎo)，計算熱溫升非定常項和熱傳導(dǎo)項，忽略自然對流和熱輻射，根據(jù)步驟2)的非定常熱平衡方程計算加熱熱流。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面加熱熱流分布測量方法，其特征在于，具體步驟如下：(1)選擇密度、比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)已知的物體，壁厚均勻，且其Bi數(shù)遠(yuǎn)小于1，利用紅外測溫技術(shù)記錄隨時間變化的加熱壁面的溫度場；(2)忽略物體沿厚度方向熱阻，將物體加熱問題簡化成二維非定常傳熱問題，得到非定常熱平衡方程；(3)將步驟1)中測量得到的溫度場對時間和空間分別求導(dǎo)，計算熱溫升非定常項和熱傳導(dǎo)項，忽略自然對流和熱輻射，根據(jù)步驟2)的非定常熱平衡方程計算加熱熱流。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面加熱熱流分布測量方法，其特征是，所述的步驟1)具體為：利用紅外測溫技術(shù)記錄物體壁面隨時間變化的溫度場，記錄過程從初始加熱時刻開始到物體溫度基本不變。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外熱像測溫技術(shù)的非定常壁面加熱熱流分布...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王高峰，鐘亮，
申請(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江,33