本發(fā)明涉及一種溫度場和熱流的重構(gòu)方法，具體涉及一種利用非接觸溫度測量對含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體的溫度場與熱流同時(shí)重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

隨著航天航空技術(shù)的發(fā)展，飛行器的速度不斷提升。隨著飛行速度的提高，劇烈的氣動(dòng)加熱作用使得飛行器承受極高的熱流密度，研制高效的熱防護(hù)系統(tǒng)是高超聲速飛行器發(fā)展急需解決的問題，而準(zhǔn)確獲取熱流密度和結(jié)構(gòu)體三維溫度場是設(shè)計(jì)熱防護(hù)系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。

當(dāng)受熱表面熱流較高，熱流計(jì)直接測量壁面的熱流密度具有較大的誤差。當(dāng)受熱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單(如前緣、平板等)時(shí)，常規(guī)的導(dǎo)熱反問題計(jì)算方法可以解決這類問題，即可通過非接觸測量壁面的溫度，借助導(dǎo)熱反問題方法，反算出受熱壁面的熱流密度。但是，由于高超飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形有曲面形狀，并且含有內(nèi)部冷卻通道，此時(shí)，常規(guī)的導(dǎo)熱反問題計(jì)算方法無法直接計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)體三維溫度場和熱流密度的預(yù)測，需要探索新型的測試方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種利用非接觸溫度測量對含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體的溫度場與熱流同時(shí)重構(gòu)方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體的溫度場與熱流同時(shí)重構(gòu)方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)獲取結(jié)構(gòu)體的三維表面溫度場分布W₁，作為導(dǎo)熱微分方程的求解邊界條件：

受熱表面溫度W₁：

式中，λ為結(jié)構(gòu)體的導(dǎo)熱系數(shù)；T為結(jié)構(gòu)體的溫度場；t表示計(jì)算時(shí)間；q₁表示結(jié)構(gòu)體的熱流密度；n為熱流密度的方向；

2)獲取結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部局部溫度T₁，T₂，…，作為導(dǎo)熱微分方程的求解限定條件：

內(nèi)部局部溫度T₁，T₂，...：T(Ω₁,t)＝T₁；T(Ω₂,t)＝T₂，...(2)

式中，Ω_i表示結(jié)構(gòu)體的計(jì)算區(qū)域，i＝1,2,3,…；

3)根據(jù)流體與冷卻通道壁面的熱傳遞的熱流值建立冷卻通道壁面上的熱平衡方程，作為導(dǎo)熱微分方程的求解邊界條件：

內(nèi)部邊界S₁，S₂，...上的熱平衡方程：

式中，S為結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部邊界，i＝1,2,3,…；h_i為結(jié)構(gòu)體不同內(nèi)部邊界上的對流傳熱系數(shù)，i＝1,2,3,…；T_f為結(jié)構(gòu)體內(nèi)部冷卻通道的流體溫度；

4)利用結(jié)構(gòu)體的受熱表面溫度W₁，內(nèi)部邊界S₁，S₂，…上的熱平衡方程，以及內(nèi)部局部溫度T₁，T₂，…，并結(jié)合導(dǎo)熱微分方程，獲得完整的控制方程組，即式(1)-式(5)：

導(dǎo)熱微分方程：

初始條件：T(Ω,t)＝T₀ (5)

式中，ρ為結(jié)構(gòu)體的密度；c_p為結(jié)構(gòu)體的熱容；x和y表示結(jié)構(gòu)體的坐標(biāo)；T₀為結(jié)構(gòu)體初始時(shí)刻的溫度；

5)求解上述控制方程組，最后同時(shí)確定結(jié)構(gòu)體的溫度場T和熱流密度q₁。

在進(jìn)行上述步驟1)時(shí)，采用基于非接觸輻射測量方法獲取結(jié)構(gòu)體的受熱表面溫度。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，非接觸溫度測量技術(shù)采用的是基于空間與光譜多維融合輻射測量技術(shù)，即針對于含三維或曲面外形的結(jié)構(gòu)體外表面，通過在結(jié)構(gòu)體外表面視場范圍內(nèi)的多個(gè)不同方位角度布置多個(gè)面成像測溫傳感器，每一個(gè)方位角度的面成像傳感器均能夠獲得含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體在該方位角度的二維投影溫度場分布；然后通過多個(gè)方位角度的多個(gè)面成像傳感器所獲得多個(gè)二維投影溫度場的融合，利用幾何成像重建算法計(jì)算獲得含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體的三維表面溫度場分布。

在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中，面成像測溫傳感器采用8-14μm紅外單波段面成像測溫傳感器或者近紅外多光譜成像融合面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

在進(jìn)行上述步驟2)時(shí)，在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部開若干個(gè)微孔，插入熱電偶或熱電阻，通過接觸式測得結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部局部溫度。

在進(jìn)行上述步驟3)時(shí)，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部冷卻通道的流體種類、溫度、壓力和流速等狀態(tài)參數(shù)，選擇合適的流體對流換熱計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式；然后根據(jù)冷卻通道壁面邊界上的熱平衡關(guān)系，建立結(jié)構(gòu)體不同內(nèi)部邊界S₁，S₂，…上的熱平衡方程。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，流體對流換熱計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式采用Dittus-Boelter公式：Nuf＝0.023Re^0.8Pr^0.4。

在進(jìn)行上述步驟5)時(shí)，通過根據(jù)共軛梯度法求解控制方程組。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明采用基于空間與光譜多維融合輻射測量的非接觸溫度測量方法獲取含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體的三維表面溫度場分布，避免了傳統(tǒng)接觸式測溫法在溫度場測量以及環(huán)境適應(yīng)性等方面的局限性，解決了基于單個(gè)成像傳感器的傳統(tǒng)輻射測溫技術(shù)無法獲得含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體外表面溫度場的難點(diǎn)問題。2、本發(fā)明中對結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部開一些微孔，用于測量結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的局部溫度，此溫度將用于導(dǎo)熱微分方程求解時(shí)的限定條件，可以有效地提升方程的求解精度。3、本發(fā)明根據(jù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部冷卻通道的流體種類、溫度、壓力、流速等狀態(tài)參數(shù)，利用流體的對流換熱計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，建立結(jié)構(gòu)體不同內(nèi)部邊界上的熱平衡方程，用于導(dǎo)熱微分方程的邊界條件，使得方程組滿足封閉求解條件。4、本發(fā)明利用前述方法，獲得結(jié)構(gòu)體的三維表面溫度場分布、內(nèi)部邊界上的熱平衡方程、壁面內(nèi)部局部溫度，通過求解導(dǎo)熱微分方程，即可同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)體的溫度場和熱流密度。

附圖說明

圖1本發(fā)明提供的含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體的溫度場與熱流同時(shí)重構(gòu)方法示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明提供的含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體的溫度場與熱流同時(shí)重構(gòu)方法，其包括以下步驟：

1)如圖1所示，采用基于非接觸輻射測量方法獲取含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體的三維表面溫度場分布W₁，作為導(dǎo)熱微分方程的求解邊界條件：

受熱表面溫度W₁：

式中，λ為結(jié)構(gòu)體的導(dǎo)熱系數(shù)；T為結(jié)構(gòu)體的溫度場；t表示計(jì)算時(shí)間；q₁表示結(jié)構(gòu)體的熱流密度；n為熱流密度的方向。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，非接觸溫度測量技術(shù)采用的是基于空間與光譜多維融合輻射測量技術(shù)，即針對于含三維或曲面外形的結(jié)構(gòu)體外表面，通過在結(jié)構(gòu)體外表面視場范圍內(nèi)的多個(gè)不同方位角度布置多個(gè)面成像測溫傳感器(本實(shí)施例中為三個(gè)面成像測溫傳感器1-3)，每一個(gè)方位角度的面成像傳感器均可以獲得含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體在該方位角度的二維投影溫度場分布；然后通過多個(gè)方位角度的多個(gè)面成像傳感器所獲得多個(gè)二維投影溫度場的融合，利用幾何成像重建算法計(jì)算獲得含三維或曲面外形結(jié)構(gòu)體的三維表面溫度場分布。

在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中，面成像測溫傳感器可以采用8-14μm紅外單波段面成像測溫傳感器或者近紅外多光譜成像融合面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

2)在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部開若干個(gè)微孔，插入熱電偶或熱電阻，通過接觸式測得結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部局部溫度T₁，T₂，…，作為導(dǎo)熱微分方程的求解限定條件：

內(nèi)部局部溫度T₁，T₂，...：T(Ω₁,t)＝T₁；T(Ω₂,t)＝T₂，...(2)

式中，Ω_i表示結(jié)構(gòu)體的計(jì)算區(qū)域，i＝1,2,3,…。

3)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部冷卻通道的壁面與冷卻通道內(nèi)的流體進(jìn)行熱傳遞，可以根據(jù)流體與冷卻通道壁面的熱傳遞的熱流值建立冷卻通道壁面上的熱平衡方程，作為導(dǎo)熱微分方程的求解邊界條件，具體過程為：首先根據(jù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部冷卻通道的流體種類、溫度、壓力和流速等狀態(tài)參數(shù)，選取合適的流體對流換熱計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式(比如Dittus-Boelter公式：Nuf＝0.023Re^0.8Pr^0.4)；然后根據(jù)冷卻通道壁面邊界上的熱平衡關(guān)系，建立結(jié)構(gòu)體不同內(nèi)部邊界S₁，S₂，…上的熱平衡方程：

內(nèi)部邊界S₁，S₂，...上的熱平衡方程：

式中，式中，S_i為結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部邊界，i＝1,2,3,…；h_i為結(jié)構(gòu)體不同內(nèi)部邊界上的對流傳熱系數(shù)，i＝1,2,3,…；T_f為結(jié)構(gòu)體內(nèi)部冷卻通道的流體溫度。

4)利用結(jié)構(gòu)體的三維表面溫度場分布W₁，內(nèi)部邊界S₁，S₂，…上的熱平衡方程，以及內(nèi)部局部溫度T₁，T2，…，并結(jié)合導(dǎo)熱微分方程，就可以獲得完整的控制方程組，即式(1)-式(5)：

導(dǎo)熱微分方程：

初始條件：T(Ω,t)＝T₀(5)

式中，ρ為結(jié)構(gòu)體的密度；c_p為結(jié)構(gòu)體的熱容；x和y表示結(jié)構(gòu)體的坐標(biāo)；T₀為結(jié)構(gòu)體初始時(shí)刻的溫度。

5)通過根據(jù)共軛梯度法(CGM)或者其他算法求解上述完整的控制方程組，最后同時(shí)確定結(jié)構(gòu)體的溫度場T和熱流密度q₁。需要說明的是，由于CGM方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識，因此求解過程不再贅述。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。