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=cosh2ξcos2ξ+sinh2ξsin2ξ (5)
c1=coshξsinhξ+cosξsinξ (6)
c2=cosh2ξsin2ξ+sinh2ξcos2ξ (7)
c3=coshξsinξ-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;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权利要求1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。