[发明专利]一种对流换热系数的快速测量方法

说明书

本发明公开了一种对流换热系数的快速测量方法，适用于介质表面随温度变化条件的流换热系数测量。该测量方法核心思想是，将对流换热系数的测量转换为求解热传导问题边界未知参数的优化问题，根据介质温度‑超声传播特性，采用超声回波法，基于热传导反问题的求解可快速、无损地测量随温度变化的表面流换热系数；本发明的方法具有测量装置简单、测量周期短、避免传感器与被测试件接触干扰以及测量范围不受传感器耐高温性能限制等优点。

技术领域

本发明涉及超声检测领域，具体是涉及一种对流换热系数的快速测量方法。

背景技术

对流换热系数表征流体对流强度的重要参数，其准确预测在建筑节能、能源化工、铸造加工等领域具有重要应用价值，但由于其与流体和换热表面的物性、状态等诸多因素有关，因此如何准确获得对流换热系数是工程中的难点问题之一。

测定对流换热系数的方法主要有稳态法与瞬态法。稳态法原理简单、操作简便，但实验周期长。瞬态法则具有周期短、误差小优点，但存在实验设备复杂和实验条件苛刻(例如要求固体温度可视为均匀)等问题。本发明将对流换热系数的测量转换为求解热传导问题边界未知参数的优化问题，本质上属于瞬态法。但本发明基于超声法，所需测量装置简单、操作简便，同时保留了瞬态法测量周期短和精度高的优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种对流换热系数的快速测量方法，根据介质温度-超声传播特性，采用超声回波法，将对流换热系数的测量转换为求解热传导问题边界未知参数的优化问题，基于热传导反问题的求解可快速、无损地测量随温度变化的表面流换热系数。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤一：基于标定实验，获取被测试件内部超声波传播速度V与温度T的关系。

步骤二：对试件进行加热，由超声波脉冲回波法，试件t_i时刻的超声波传播时间t_i,exp。

步骤三：将对流换热系数的测量转换为求解热传导问题边界未知参数的优化问题。采用如下的优化目标函数：

其中：h_c为介质表面待测量的对流换热系数；t_i,cal为数值计算得到的t_i时刻的超声波传播时间，下标i表示的测量时间序数，N表示总的测量时间点数；L为试件被测方向的长度；

约束条件为：

其中：k，C和ρ分别为被测材料的导热系数、比热容和密度；T_f为流体介质温度，由加热器进行控制；T_t为超声探头放置端的温度，T₀为试件的初始温度。

步骤四：采用伴随方程算法求解热传导反问题，获得介质表面的对流换热系数。

所述优化算法求解过程为：

(1)输入介质材料热物性参数、尺寸以及初始值；

(2)求解热传导方程，求出温度场T(x,t)和目标函数J(h_c)的值；

(3)采用伴随方程算法对参数值进行优化，获得较优的h_c；

(4)判断是否收敛(取ε≤1e-6)，若收敛，则停止计算；否则返回步骤(2)重复迭代，直到到达收敛；

(5)获得介质表面的对流换热系数h_c。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：