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。
1.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hδ的条件下，获得薄壁待测面域的稳态局部换热系数h0；
其特征在于：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；
S2：在同一时间段Δt内采用红外热像仪对S1中薄壁参考侧对应待测面域范围的温度分布进行同步的逐像素逐帧记录；
S3：对S2中薄壁参考侧对应待测面域范围内任一像素点对应于一系列离散记录时间ti的温度Ti进行漂移补偿，漂移补偿即为DriftCompensation，以下简称为DC，其中i＝1,…,n,n为Δt时间内的总帧数，而后采用以下单频离散傅里叶变换公式计算其对应基准正弦函数的系数项进而求得该像素点对应测温面域平均温度随时间变化之基准正弦函数的相位延迟S4：按照下式迭代求解S3中相位延迟φ所对应的薄壁待测侧像素点面域内的平均局部换热系数h0其中
c0＝coshξcosξ+sinhξsinξ (5)c1＝coshξsinhξ+cosξsinξ (6)c2＝cosh2ξsin2ξ+sinh2ξcos2ξ (7)c3＝coshξsinhξ-cosξsinξ (8)S5：薄壁参考侧对应待测面域范围内所有剩余像素点重复S3和S4所述步骤以获得整个待测面域内平均局部换热系数h0的分布。
2.根据权利要求1所述的基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法，其特征在于：周期性激光热源频率ω的选取应使得薄壁特征无量纲厚度ξ和待测面域无量纲局部换热系数ψ0在式4所定义的函数关系中处于敏感度系数最小值附近的区域，式(12)表示logψ0对φ求导数，d为微分符号；通常情况下参考侧处于自然对流耦合辐射换热的状态，其总体换热系数在数量级上远低于待测侧换热系数，此时可以近似认为式9所定义的r值为零，而周期性激光热源频率ω的选取应满足ξ<1，ξ的数值越小，敏感度系数越接近于最小值，同时满足ψ0接近于1，ψ0等于1时为最优，亦即敏感度系数达到最小值的条件。
3.根据权利要求1所述的基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法，其特征在于：S3中所述漂移补偿，包括以下步骤，DC1：在薄壁参考侧对应待测面域范围内，计算每个像素点对应测温面域在每一周期内的算术平均温度Tpav，进而计算S1所述Δt时间范围内所有周期对应Tpav的算术均值Ttav；
DC2：对于DC1中每一像素点对应的测温面域而言，任一周期内的的漂移补偿函数TDC等于该周期内的Tpav减去DC1中所定义的该像素点对应测温面域的Ttav；
DC3：将DC1中每一像素点对应测温面域在权利要求1所述每一时间节点ti的温度减去DC2中所述该时刻对应周期内的TDC；
DC4：DC3所得每一像素点对应测温面域在每一时间节点ti的补偿后温度数据用于所述相位延迟φ的计算。
4.根据权利要求1或2所述的基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法，其特征在于：S1中所述的已知频率为ω的周期性激光热源随时间的变化波形包含但不仅限于正弦波、方波，亦即其对于S3中所述的相位延迟φ的计算无影响。
5.根据权利要求4所述的基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法，其特征在于：S1中所述的已知频率为ω的周期性激光热源随时间的变化波形宜采用方波形周期性热源，并以相位同步法消除同步误差；所谓的同步误差，即激光热流开始作用于薄壁参考侧对应待测面域范围的时刻和红外热像仪开始记录同一面域范围内温度场的时刻之间的差值。
6.根据权利要求5所述的基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法，其特征在于：相位同步法在实际操作过程中选取某一像素点温度最大值和最小值对应的时刻分别作为所述方波形周期性激光热源由满载转向空载以及由空载转向满载的时刻。
基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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
[0006] 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。
[0007] 为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008] 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；
[0009] 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hδ的条件下，获得薄壁待测面域的稳态局部换热系数h0；
[0010] 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，
[0011] 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；
[0012] S2：在同一时间段Δt内采用红外热像仪对S1中薄壁参考侧对应待测面域范围的温度分布进行同步的逐像素逐帧记录；
[0013] S3：对S2中薄壁参考侧对应待测面域范围内任一像素点对应于一系列离散记录时间ti的温度Ti进行漂移补偿，漂移补偿即为Drift Compensation，以下简称为DC，其中i＝1,…,n,n为Δt时间内的总帧数，而后采用以下单频离散傅里叶变换公式计算其对应基准正弦函数的系数项
[0014]
[0015]
[0016] 进而求得该像素点对应测温面域平均温度随时间变化之基准正弦函数的相位延迟
[0017]
[0018] S4：按照下式迭代求解S3中相位延迟φ所对应的薄壁待测侧像素点面域内的平均局部换热系数h0
[0019]
[0020] 其中
[0021] c0＝cosh2ξcos2ξ+sinh2ξsin2ξ (5)
[0022] c1＝coshξsinhξ+cosξsinξ (6)
[0023] c2＝cosh2ξsin2ξ+sinh2ξcos2ξ (7)
[0024] c3＝coshξsinhξ-cosξsinξ (8)
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] S5：薄壁参考侧对应待测面域范围内所有剩余像素点重复S3和S4所述步骤以获得整个待测面域内平均局部换热系数h0的分布。
[0029] 进一步限定，周期性激光热源频率ω的选取应使得薄壁特征无量纲厚度ξ和待测面域无量纲局部换热系数ψ0在式4所定义的函数关系中处于敏感度系数
[0030]
[0031] 最小值附近的区域，式(12)表示logψ0对φ求导数，d为微分符号；通常情况下参考侧处于自然对流耦合辐射换热的状态，其总体换热系数在数量级上远低于待测侧换热系数，此时可以近似认为式9所定义的r值为零，而周期性激光热源频率ω的选取应满足ξ<1，ξ的数值越小，敏感度系数越接近于最小值，同时满足ψ0接近于1，ψ0等于1时为最优，亦即敏感度系数达到最小值的条件。
[0032] 进一步限定，S1中所述的已知频率为ω的周期性激光热源随时间的变化波形包含但不仅限于正弦波、方波，亦即其对于S3中所述的相位延迟φ的计算无影响(S Prinzen,VDI Verlag 1991；WO Turnbull et al,12th Int.Heat Transfer Conference,2002)。
[0033] 优选的，S1中所述的已知频率为ω的周期性激光热源随时间的变化波形宜采用方波形周期性热源，并以相位同步法消除同步误差；所谓的同步误差，即激光热流开始作用于薄壁参考侧对应待测面域范围的时刻和红外热像仪开始记录同一面域范围内温度场的时刻之间的差值。
[0034] 进一步限定，相位同步法在实际操作过程中选取某一像素点温度最大值和最小值对应的时刻分别作为所述方波形周期性激光热源由满载转向空载以及由空载转向满载的时刻。
[0035] 进一步限定，S3中所述的漂移补偿，包括以下步骤，
[0036] DC1：在薄壁参考侧对应待测面域范围内，计算每个像素点对应测温面域在每一周期内的算术平均温度Tpav，进而计算S1所述Δt时间范围内所有周期对应Tpav的算术均值Ttav；
[0037] DC2：对于DC1中的每一像素点对应测温面域而言，任一周期内的的漂移补偿函数TDC等于该周期内的Tpav减去DC1中所定义的该像素点对应测温面域的Ttav；
[0038] DC3：将DC1中每一像素点对应测温面域在每一时间节点ti的温度减去DC2中所述该时刻所对应周期内的TDC；
[0039] DC4：DC3所得每一像素点对应测温面域在每一时间节点ti的补偿后温度数据用于相位延迟φ的计算。
[0040] 由于红外热像仪本身分辨率的限制以及相位延迟φ和对应局部换热系数h0的非线性关系，在实际测量过程中应避免单个像素点所对应测温面域内相位延迟φ梯度过大的情况，防止出现不必要的测量误差。
[0041] 相比现有技术，本发明所述的测量方法不依赖于红外热像仪本身的测温精度，系统简单且测量速度快。
附图说明
[0042] 本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
[0043] 图1为本发明基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法示意图；
[0044] 图2为本发明基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法系统图；
[0045] 其主要元件符号说明如下：薄壁特征待测面域1，薄壁特征待测段2，薄壁特征参考侧对应待测面域部分3，红外热像仪4，可编程直流电源5，激光发生器6，计算机7；
[0046] 图3为本发明实施例管内对流换热局部努塞尔数和Boelter关联式以及Gnielinski关联式计算结果的比较。
具体实施方式
[0047] 为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
[0048] 如图1、图2和图3所示，基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法，系统由薄壁特征待测面域1，薄壁特征待测段2，薄壁特征参考侧对应待测面域部分3，红外热像仪4，可编程直流电源5，激光发生器6，计算机7构成。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hδ的条件(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)下，薄壁待测面域1的稳态局部换热系数为h0。
[0049] 测量前应首先确保薄壁特征待测段2两侧主流温度相等且保持恒定(如室温条件)；须保持薄壁特征参考侧对应待测面域部分3的清洁，在条件允许的状况下，应在薄壁特征参考侧对应待测面域部分3涂覆一层4～6μm厚的黑体涂层以确保其表面发射率的一致性。
[0050] 将红外热像仪4连接至计算机7，镜头对准薄壁特征参考侧对应待测面域部分3。需要说明的是，尽管本发明可无视因红外热像仪4相对于被测表面角系数的差异而造成测温精度不足的影响，但在实际操作中仍因注意避免因被测表面部分面域热辐射无法进入红外热像仪4镜头范围内(如被遮挡或角系数过小)而出现“盲区”。在图2中薄壁特征参考侧为平面的条件下，此种状况一般不会出现，但对于如波纹板等表面凹凸不平的情况则需注意查看。
[0051] 将激光发生器6连接至可编程直流电源5，并将其发射端对准薄壁特征参考侧对应待测面域部分3。
[0052] 将计算机7和可编程直流电源5相连接。
[0053] S1：测量开始，在Δt时间内，计算机通过控制可编程直流电源5实现激光发生器6在薄壁特征参考侧对应待测面域部分3形成频率为ω方波形的周期性热源。时长Δt应根据热源周期2π/ω来确定，一般而言Δt包含的周期数越多，信噪比带来的测量误差越小。激光以法向射入并覆盖整个薄壁特征参考侧对应待测面域部分3。激光热源频率ω的选取应使得薄壁特征无量纲厚度
[0054]
[0055] 和待测面域无量纲局部换热系数
[0056]的参数范围使得敏感度系数
[0057]
[0058] 处于最小值附近的区域。式(3)中的φ即为红外热像仪某像素点对应测温面域平均温度随时间变化的基准正弦函数相对于周期性波动热源的相位延迟。
[0059] 通常情况下参考侧处于自然对流耦合辐射换热的状态，其总体换热系数在数量级上远低于待测侧换热系数，此时可以近似认为式(9)所定义的r值为零，而周期性激光热源频率ω的选取应满足ξ<1(ξ的数值越小，敏感度系数越接近于最小值)和ψ0接近于1(等于1时为最优，亦即敏感度系数达到最小值)的条件。
[0060] S2：在同一时间段Δt内，计算机7控制红外热像仪4对S1中薄壁特征参考侧对应待测面域部分3的温度场随时间的变化同步进行逐像素逐帧地采集并存储于计算机7中。同步误差，即由于硬件系统自身固有的原因，导致激光热流开始作用于薄壁参考侧对应待测面域范围的时刻和红外热像仪开始记录同一面域范围内温度场的时刻之间存在的差值。这一差值应通过方波相位同步法予以消除。该方波相位同步法的关键在于：以任一像素点温度最大值和最小值对应的时刻分别作为方波形周期性激光热源由满载转向空载以及由空载转向满载的时刻。在实际操作中，对于某一像素点而言，若整个采集过程中相邻两个时间节点ti和ti+1间温度差分最大，则ti为最小温度出现的时间节点，反之则为最大温度对应的时间节点。
[0061] S3：对S2中薄壁特征参考侧对应待测面域部分3内任一像素点对应于一系列离散记录时间ti(i＝1,…,n,n为Δt时间内的总帧数)的温度Ti进行漂移补偿(Drift Compensation，以下简称为DC)，其实施步骤为：
[0062] DC1：在薄壁特征参考侧对应待测面域部分3内，计算每个像素点对应测温面域在每一周期(如权利要求1所述)内的算术平均温度Tpav，进而计算S1所述Δt时间范围内所有周期对应Tpav的算术均值Ttav；
[0063] DC2：对于DC1中的每一像素点对应测温面域而言，任一周期内的的漂移补偿函数TDC等于该周期内的Tpav减去DC1中所定义的该像素点对应测温面域的Ttav；
[0064] DC3：将DC1中每一像素点对应测温面域在S3所述每一时间节点ti的温度减去DC2中所述该时刻所对应周期内的TDC
[0065] DC4：DC3所得每一像素点对应测温面域在每一时间节点ti的补偿后温度数据用于下列步骤中相位延迟φ的计算。
[0066] 采用以下单频离散傅里叶变换公式计算其对应基准正弦函数的系数项[0067]
[0068]
[0069] 进而求得该基准正弦函数的相对于周期性波动热源的相位延迟
[0070]
[0071] S4：按照下式迭代求解S3中相位延迟φ所对应的薄壁特征参考侧对应待测面域部分3中，像素点对应范围内的平均局部换热系数h0
[0072]
[0073] 其中
[0074] c0＝cosh2ξcos2ξ+sinh2ξsin2ξ (8)
[0075] c1＝coshξsinhξ-cosξsinξ (9)
[0076] c2＝cosh2ξsin2ξ+cos2ξsin2ξ (10)
[0077] c3＝coshξsinhξ-cosξsinξ (11)
[0078]
[0079]
[0080] S5：薄壁特征参考侧对应待测面域部分3内所有剩余像素点重复S3和S4所述步骤以获得整个薄壁特征待测面域1内局部换热系数h0的分布。
[0081] 由于红外热像仪本身分辨率的限制以及相位延迟φ和对应局部换热系数h0的非线性关系，在实际测量过程中应避免单个像素点所对应测温面域内相位延迟φ梯度过大的情况，防止出现不必要的测量误差。
[0082] 通过金属管内对流局部换热系数的测量以及和文献中经典关联式的对比，验证了本发明的有效性。在管内水温和管壁外室温均保持在20℃的条件下，本实验对外径d＝20mm，壁厚1mm的铜管内包含入口段和充分发展湍流(雷诺数Re为48712)的对流局部换热系数按上述步骤进行了测量。实验结果如图3所示。总体而言，实测局部努塞尔数Nux(图例标示为Exp)无论是在在充分发展段(x/d>10)抑或是在入口段(x/d<10)都分别和格尼林斯基Gnielinski关联式(V Gnielinski,Ingenieurwes,1975,41(1):8–16)以及贝尔特Boelter关联式(LMK Boelter,Technical Note 1451,NACA,Washington,DC,1948)吻合得较好，其中充分发展段实测值与计算值的标准差仅为3.6％。
[0083] 以上对本发明提供的基于热波动耦合红外成像的薄壁局部换热系数测量方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
