阅读说明：本技术 一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法 (Measuring method for heat flux density distribution based on protruding thermocouple ) 是由 许永建 汪日新 于�玲 谢远来 谢亚红 胡纯栋 李军 于 2020-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法,将热电偶钎焊进一个热电偶安装块中,然后将安装块安装在待测部件中,安装完成后热电偶安装块将凸出于待测部件热流承载面,且热电偶测温端在待测部件的热流承载面以下,有效减少了横向热传导对热电偶测温的影响,提高了测量精度。待测部件中的热电偶依据待测物体的形状按照一定的布局安装,以保障在后续的插值和拟合的步骤中具有相对较高的精度；利用热电偶数据获取设备获得所有热电偶的温升曲线,确定某一时刻的温差,通过计算即可获得该热电偶安装处所对应表面的热流密度的大小；通过对所有的热电偶安装处的热流密度值进行分析,对分布函数在待测面s上进行面积分,即可求得总热功率。(The invention discloses a method for measuring heat flow density distribution based on a protruding thermocouple, which is characterized in that the thermocouple is brazed into a thermocouple mounting block, then the mounting block is mounted in a component to be measured, the thermocouple mounting block protrudes out of a heat flow bearing surface of the component to be measured after mounting is completed, and a temperature measuring end of the thermocouple is arranged below the heat flow bearing surface of the component to be measured, so that the influence of transverse heat conduction on the temperature measurement of the thermocouple is effectively reduced, and the measurement precision is improved. Thermocouples in the part to be tested are installed according to the shape of the object to be tested and according to a certain layout, so that relatively high precision is guaranteed in the subsequent interpolation and fitting steps; acquiring temperature rise curves of all thermocouples by using thermocouple data acquisition equipment, determining the temperature difference at a certain moment, and calculating to obtain the heat flux density of the surface corresponding to the thermocouple installation position; and analyzing the heat flow density values of all thermocouple installation positions, and performing surface integration on the distribution function on the surface s to be measured to obtain the total heat power.)

一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法

技术领域

本发明涉及热测量技术领域，具体是一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法。

背景技术

高热负荷部件表面上的热流密度分布是评估部件受热后形变量、部件最大可工作时长等指标的关键参数，是对部件进行热力学分析的关键参数之一。热流密度分布测量的通用方法是利用热传感器测量一段时间的温度变化，通过对温度变化的分析确定表面的热流密度。但由于物体的形状，表面形貌，热传感器的安装位置，热传感器的响应时间等因素，确定热流密度分布是一个相对复杂的过程，且误差相对较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法，可以不受待测部件的大小、表面形貌的限制，解决热流密度分布的测量问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法，将热电偶安装在热电偶安装块上；在待测部件上开出一个与热电偶安装块形状、大小匹配的锥状通孔，将固定有铠装热电偶的热电偶安装块安装在部件的通孔中；

热电偶安装块横截面为梯形，下表面直径小于上表面直径；且热电偶安装块下表面面积小于待测部件上开出的锥孔下表面面积，安装完成后热电偶安装块将凸出于待测部件上开出的锥孔的下表面，凸出高度不少于1cm，保证热电偶安装块测温面在待测部件受热面下方；

热电偶的安装位置按预定的布局排列；利用热电偶测量设备采集各热电偶安装处的温度随时间的变化曲线；确定升温过程中某一时刻与初始升温时刻的各热电偶安装点的温差；根据各热电偶安装点的温差计算求得安装点处的所对应的表面热流密度并通过插值和拟合确定物体表面的热流密度分布，同时还能通过对获得的热流密度进行积分确定总热功率。

进一步的，安装完成后热电偶安装块将凸出于待测部件上开出的锥孔的下表面，且热电偶测温端的测温面在待测部件受热面下方，在保证热电偶安全的情况下，热电偶安装点的位置需要靠近安装块表面，具体包括：

若待测部件承受的瞬时热流密度不超过1MW/m²，热电偶安装点的位置与安装块表面之间的距离应为2至3mm，若待测部件承受的瞬时热流密度超过1MW/m²，热电偶安装点的位置与安装块表面之间的距离应为3至5mm。

进一步的，若待测部件承受的稳态平均热流密度满足上述范围，则在上述基础上热电偶安装点的位置与安装块表面之间的距离应适当增加3至5mm，且保证热电偶安装点的位置与受热面之间的距离小于凸出高度的一半，或增加水冷结构，以保证测温设备的安全工作。

进一步的，根据待测热流密度的面积和测量精度安排热电偶的安装位置和数量，热电偶的安装位置按一定的分布排列。

进一步的，利用热电偶测量设备采集各热电偶安装处的温度随时间的变化曲线。

进一步的，采集温度随时间的变化曲线，确定某时刻的各热电偶安装点的温差。

进一步的，根据各热电偶安装点的温差计算求得安装点处的所对应的表面热流密度并通过插值和函数拟合确定物体表面的热流密度分布。

本发明中，设计热电偶安装块的锥度与待测温部件预留孔的锥度一致，以保证安装的牢固性。

本发明中，设计热电偶安装块的材质与待测部件的材质一致，确保热电偶安装块与待测量部件在温度变化时保持同样的形变率。

本发明中，热电偶安装块下表面面积小于待测部件上开出的锥孔下表面面积，安装完成后热电偶安装块将凸出于待测部件上开出的锥孔的下表面，且热电偶测温端在待测部件受热面以下，减少了横向热传导对热电偶测温的影响，有效提高了测量精度。

本发明中，热电偶的安装根据待测部件的形状和表面形貌按照一定的布局排列，以保障后期的插值和拟合过程的具备相对高的精度。

本发明中，需采集所有热电偶随时间的变化曲线，然后根据公式：

确定热电偶安装处所对应表面的热流密度，图中q_w是热流密度，θ为0时刻到τ时刻的某位置的温度变化，z为热电偶安装点到热流承载面的距离，λ为热导率，α为热扩散系数，为高斯误差函数。

本发明中，根据待测部件的形状和表面形貌结合计算得到的所有安装点的热流密度选择合适的插值方法进行插值，插值后的数据通过选择的合适的函数拟合使其最接近真实分布。

本发明中，拟合后所获得的函数q_w＝f(x,y)进行绘图，即可得到热流密度分布。

本发明中，若通过函数拟合的方法可以获得热流密度分布，则可以通过对拟合函数进行面积分获得整个热承载面的热功率：

P_total＝∫∫f(x，y)ds

式中，s为热流承载面的面积。

本发明中，若无法通过函数拟合的方法获得热流密度分布，则可以利用插值后的数据q_wτi,j进行离散积分获得整个热承载面的热功率：

式中P_total为总热功率，n，m分别是x，y方向上的插值后的元素个数，△x,△y分别是x，y方向上的插值的步长。

有益效果：

本发明解决了热流承载面的热流密度分布及总热功率的测量问题；本发明可以不受热承载面表面形貌的影响，凸出于热流承载面的热电偶可以减少由于横向热传递带来的测量误差，有效提高测量精度。待测部件中的热电偶依据待测物体的形状按照一定的布局安装，以保障在后续的插值和拟合的步骤中具有相对较高的精度；利用热电偶数据获取设备获得所有热电偶的温升曲线，确定某一时刻的温差，通过计算即可获得该热电偶安装处所对应表面的热流密度的大小；通过对所有的热电偶安装处的热流密度值进行分析，对分布函数在待测面s上进行面积分，即可求得总热功率。

附图说明

图1是本发明凸出式热电偶块安装方法示意图；

图2是本发明凸出式热电偶安装完成后示意图；

图3是热流密度分布(热功率)测量流程图；

图4是在某一测量面安装多个热电偶进行分布式测量的具体实施平面示意图。

附图标记说明：1热电偶，2热电偶安装盲孔，3热电偶安装块，4通孔，5待测部件，6待测部件受热面，7热电偶安装块测温面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于凸出式热电偶的热流密度分布的测量方法，根据待测部件的体积大小选择设计合适体积(通常情况下，热电偶安装块总面积与待测温部件的测温面面积之比约为1/40，若需提高测量精度，可适当增加热电偶安装块总面积与待测温部件的测温面面积之比)的热电偶安装块3，在热电偶安装块3内设计热电偶安装盲孔2，将热电偶1通过钎焊安装在安装盲孔2内。将热电偶安装块3放入液氮等低温液体进行冷冻，由于热胀冷缩，热电偶安装块3的体积会变小，最后将冷冻后的热电偶安装块3置入待测部件5的通孔4中，待升温后，热电偶安装块3的体积复原，将与待测部件5的连接紧密接触。

如图2所示，热电偶安装块3的横截面为梯形，下表面直径小于上表面直径；且热电偶安装块下表面面积小于待测部件上开出的锥孔下表面面积，安装完成后热电偶安装块将凸出于待测部件上开出的锥孔的下表面，凸出高度不少于1cm，且保证热电偶安装块测温面7在待测部件受热面6下方。

本发明中，凸出式热电偶测温端在待测温部件受热面下方，有如下优点：凸出于热流承载面的热电偶可以减少由于横向热传递带来的测量误差，有效提高测量精度。

进一步的，本发明中热电偶依据待测物体的形状按照一定的布局安装，如图4所示，热电偶的布局根据待测物体的形状按矩阵式布局，间距为5cm，以保障在后续的插值和拟合的步骤中的具有相对较高的精度；利用热电偶数据获取设备获得所有热电偶的温升曲线，确定升温过程中某一时刻与初始升温时刻的温差，通过计算即可获得该热电偶安装处所对应表面的热流密度的大小；如图3所示，通过对所有的热电偶安装处的热流密度值进行分析，选择合适的插值方法进行插值处理，插值的步长决定了计算的精度；若插值后通过拟合可获得分布函数q_w＝f(x,y)，则可以对分布函数在待测面s上进行面积分，即可求得总热功率；若无法通过拟合获得分布函数，利用插值后的数据q_wτi,j进行绘图即可获得热流密度分布，同时通过对q_wτi,j进行离散积分可求得总热功率。

根据本发明的一个实施例，需采集所有热电偶随时间的变化曲线，然后根据公式：

确定热电偶安装处所对应表面的热流密度，其中q_w是热流密度，θ为0时刻到τ时刻的某位置的温度变化，z为热电偶安装点到热流承载面的距离，λ为热导率，α为热扩散系数，为高斯误差函数。

根据待测部件的形状和表面形貌结合计算得到的所有安装点的热流密度选择合适的插值方法，如多项式插值、泰勒插值、拉格朗日插值等方法进行插值，插值后的数据通过选择的合适的函数，如多项式函数、对数函数、高斯函数等函数拟合使其最接近真实分布；拟合后所获得的函数q_w＝f(x,y)进行绘图，即可得到热流密度分布。

进一步的，若通过函数拟合的方法可以获得热流密度分布，则可以通过对拟合函数进行面积分获得整个热承载面的热功率：

P_totnl＝∫∫f(x，y)ds

式中，s为热流承载面的面积。

本发明中，若无法通过函数拟合的方法获得热流密度分布，如拟合函数曲线与实际测温曲线之间的拟合误差不能满足测量精度的要求，则可以利用插值后的数据q_wτi,j进行离散积分获得整个热承载面的热功率：

式中P_total为总热功率，n，m分别是x，y方向上的插值后的元素个数，△x,△y分别是x，y方向上的插值的步长。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。