[发明专利]基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法

说明书

本发明公开了基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法，利用一维非稳态导热方程在一侧(参考侧，换热系数已知)为周期性热流边界条件下的解析解，获得与参考侧壁温和所施加热流波动信号之间的相位差存在单值函数关系的薄壁另一侧(待测侧)的稳态局部换热系数。本技术方案不受红外热成像仪测温精度的影响，可通过对参考侧的热扰动和基于红外成像的薄壁表面温度信号采集实现非接触式薄壁特征表面局部换热系数的快速测量。

技术领域

本发明涉及固体表面局部换热系数的测量技术，具体来说，是基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法。

背景技术

表面换热系数，是指单位温差条件下，固体表面在单位面积和单位时间内通过对流和/或辐射方式传递的热量，国际单位为瓦特/(米²·开尔文)。表面换热系数是衡量换热器性能的重要指标性参数之一。

表面换热系数一般可以通过数值计算和实验两种方式来获得。数值计算是指通过对实际物理边界条件的合理假设，采用数值计算的方法迭代求解物理模型所对应的本构方程(组)，并获得表面换热系数的过程，其优点是：目前市场上已有相对成熟的计算软件，可实现局部和整体换热系数的计算；而其主要缺点在于理论模型本身的局限，对于诸如纳尺度换热、相变换热、含自由边界的对流换热等工程问题尚无可靠而具普适性的解决方案；高精度计算资源耗费巨大，且物理边界条件的假设往往无法准确反映真实条件而需要辅助实验技术的配合等等。传统实验方法存在的主要问题源于其侵入式的特征，即建立在改造乃至部分破坏被测对象的基础之上。非接触式换热系数测量方法是最近几十年出现的新方法，适用于传统方法对被测对象的改造和部分破坏难以实现或可能导致其本身或其关联系统失稳或失效的状况。这种方法因而往往具有适用范围广，测量需时短等特征。基于红外热成像技术的局部表面换热系数测量方法是根据被测对象在波动型周期性热边界条件(热波动)下，局部表面温度和热波动之间的相位差与局部表面换热系数之间的固有函数关系，通过测算相位差获得对应局部表面换热系数的方法。

专利US 7040805 B1公布了一种通过红外热像仪测量透平叶片表面气冷换热系数和气膜冷却效率的方法，该方法通过红外热像仪逐帧记录被测表面温度，并结合与瞬态温度变化的固有关系计算相应的换热系数和气膜冷却效率，属于单吹瞬变对流换热系数测量方法的一种。

但是，上述技术方案存在明显的不足：因依赖于对待测表面单次温度场变化过程的测量，实际测量过程中红外热像仪镜头和待测表面角系数往往难以达到标称状况，因而温度测量的精确性无法保证。值得注意的是，这一弊端并不影响本发明通过红外热像仪采集的数据分析外部周期性热源和待测表面温度响应之间相位关系的过程。

发明内容

本发明旨在提供基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法，利用一维非稳态传热过程在由激光束提供的周期性热流边界条件下的解析解，通过对待测面域温度响应相位延迟的测量，计算红外热像仪各像素点对应位置的平均局部换热系数。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法，其系统主要由红外热像仪，激光发生器和待测薄壁构成；

该方法可在已知薄壁厚度δ、薄壁材料热扩散率a、薄壁材料导热系数k和薄壁参考侧换热系数h_δ的条件下，获得薄壁待测面域的稳态局部换热系数h₀；

薄壁待测面域局部换热系数可由红外热像仪存储介质在测试时间内逐帧记录的薄壁参考侧待测面域温度分布，通过后续数据处理获得，该方法测量过程中需保持参考侧和待测侧流体的主流温度相等且恒定；该方法包括以下步骤，

S1：在一定时间Δt内以向薄壁参考侧对应待测面域范围射入一束由激光发生器产生的已知频率为ω的周期性热源，对应周期为2π/ω，覆盖整个待测面域；