[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

说明书

本发明涉及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，特别涉及固体表面局部换热系数的测量技术的技术领域，利用柱坐标下一维非稳态导热方程在周期性点热源以及待测侧对流(及辐射)换热边界(可视作源项)条件下的解析解，得出点热源边界以外两参考点之间温度波动的相位差与待测侧局部换热系数之间的函数关系。该方法也可用于在壁体两侧绝热良好的条件下测量其热扩散率。本发明不受红外热像仪测温精度的影响，可通过点状周期性激光热源所施加的热扰动和基于红外成像的表面温度信号采集实现非接触式快速测量。

技术领域

本发明涉及固体表面局部换热系数的测量技术领域，尤其是指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。

背景技术

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)。换热系数是衡量换热器性能的指标性参数之一。

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。此类方法因而往往具有适用范围广，测量需时短等特征。

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是根据被测壁面在周期性点热源激发下，周围不同半径参考点位表面温度波动的相位差和对应局部换热系数之间的固有函数关系，通过测算该相位差获得对应局部换热系数的方法。

专利CN 106610316 B公布了一种通过对待测面域背部整体采用非接触方式进行周期性加热，并通过红外热像仪按时序逐帧记录其温度，而后通过单频离散傅立叶变换得出其与热源波动的相位差，并结合与局部换热系数的固有函数关系，得出待测面域内局部换热系数的分布。

与本发明基于柱坐标系的一维非稳态导热并选取参考点相位差作为单点位局部换热系数测算依据的方案不同，该技术方案采用直角坐标系下的一维非稳态导热并试图通过单次测量获得整个待测面域内的局部换热系数分布。基于有限体积法的数值分析及实验结果表明，该技术方案在换热系数存在较大梯度的局部误差也相应较大，因此在操作过程中需要根据实际情况对不同局部的红外像素点组元进行网格划分。该项工作在很大程度上依赖于人为介入，成本较高。本发明公布的测量方法采用点热源的方式激发表面热波，所涉及的数采面域(对应于所测换热系数的局部面域)很小，在很大程度上避免了这一问题。

发明内容

本发明的目的是提供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，其具有不受红外热像仪测温精度的影响，可通过点状周期性激光热源所施加的热扰动和基于红外成像的表面温度信号采集实现非接触式快速测量的效果。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

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：