[发明专利]点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法

权利要求书

1.点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法，其系统主要由红外热像仪、点源激光发生器和待测壁体构成；图1中点源激光器和待测侧分置于壁体两端描绘的只是实际操作中的情况之一，点源激光器的作用面域和待测侧可处壁体同侧而不影响本发明测量方法的有效性；

该方法可在以下两组条件下分别求取壁体待测侧的局部换热系数和壁体材料热扩散率：

1)已知点源激光器加热面域外距中心分别为r₀和r₁的两参考点(以下分别以r₀和r₁指代)温度波动的相位差Δφ、壁体厚度δ、激光点源的工作频率ω，在壁体两侧绝热良好的情况下可求取其热扩散率α；

2)已知点源激光器加热面域外距中心分别为r₀和r₁的两参考点温度波动的相位差Δφ、壁体厚度δ、材料热扩散率α、导热系数k，在壁体非待测侧绝热良好的情况下可求取待测侧的局部换热系数h；

其特征在于：红外热像仪按时序逐帧摄取包含上述两参考点在内的面域温度，而后通过数据处理获得壁体材料的热扩散率α和待测侧的局部换热系数h；原则上，两参考点在温度时序满足通常意义上信噪比要求的前提下，仅需保证处于点源激光的加热面域之外且不影响相位差的计算即可；本发明测量方法包括以下步骤：

S1:在壁体两侧绝热良好的情况下，在一定时间Δt内向壁体一侧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，该热源为点状热源，对应待测侧局部换热系数所在位置，即待测点；

S2:在同一时间段Δt内由红外热像仪同步对S1中以点热源为中心且包含有前述两个参考点的圆形区域内各像素点位的温度信号进行逐帧记录；

S3:以S2中按时序t_n(n＝0,2,…,N-1,N为总帧数)逐帧记录的参考点温度T_n的交流分量为据，其相位角φ按以下步骤计算

参考点r₀和r₁的相位角分别以φ₀和φ₁表示，相位差

Δφ＝φ₁-φ₀ (3)

S4:由以下方程组求解S3中相位差所对应的壁体材料热扩散率α

其中K₀表示第二类0阶修正贝塞尔函数。

S5:在S4求得的壁体材料热扩散率α基础上，在保持壁体非待测侧绝热良好的情况下，将待测侧置于实际的对流及辐射换热环境中，重复步骤S1-S3，并由以下方程组求解S3中相位差所对应的S1中所述待测侧局部换热系数h

S6:为减少随机测量误差，宜对距加热中心位置一定范围内不同半径组合(即r₀和r₁)下所得结果取平均值；同时考虑S1中待测点前后对应流体侧的温升等因素造成的误差，宜对同一组半径r₀和r₁所对应圆周上的多组测点所得结果取平均值。

2.根据权利要求1所述点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法，其特征在于：周期性激光点热源工作频率ω、半径r₀和r₁的选取应使得方程组(4)和(5)中由隐函数求导法则定义的灵敏度系数dα/d(Δφ)和dh/d(Δφ)(或d(logα)/d(Δφ)和d(logh)/d(Δφ))处于适中的范围(理想状况下处于～1的量级)，既要防止因灵敏度系数过高而造成误差过大，又要避免出现灵敏度过低而造成的测量失效。

3.根据权利要求1所述点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法，其特征在于：已知工作频率为ω的激光点热源随时间的变化波形包含但不仅限于正弦波、方波等，波形的选择不影响本发明测量方法的有效性。

4.根据权利要求1所述点源激发表面热波耦合红外成像的壁体材料热扩散率及局部换热系数测量方法，其特征在于：对一般换热器壁体而言，其厚度方向的温度梯度或流体侧较小的温度变化对测量结果的影响可以忽略。