一種同時(shí)辨識(shí)材料的熱導(dǎo)率和熱容的方法及測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種同時(shí)辨識(shí)材料的熱導(dǎo)率和熱容的方 法及測(cè)試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能的重視以及對(duì)防熱的要求提高，材料熱物性參數(shù)的辨識(shí) 越來(lái)越受到重視。通常材料熱物性參數(shù)有兩種方法可以確定，即直接測(cè)試和計(jì)算，直接測(cè)量 方法過(guò)程比較復(fù)雜，測(cè)量費(fèi)用較高，尤其是對(duì)于變熱物性參數(shù)的材料，需要對(duì)各個(gè)溫度點(diǎn)的 熱物性參數(shù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，效率較低；而計(jì)算方法對(duì)于多參數(shù)同時(shí)辨識(shí)結(jié)果誤差較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種同時(shí)辨識(shí)材料的熱導(dǎo)率和熱容的方法及測(cè) 試裝置，能夠降低辨識(shí)材料的熱導(dǎo)率和熱容的復(fù)雜程度誤差。
[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種同時(shí)辨識(shí)材料的熱導(dǎo)率和熱容的 方法，所述方法包括：
[0005] 測(cè)量測(cè)試材料表面的發(fā)射率；
[0006] 測(cè)量測(cè)試材料表面的熱流密度；
[0007] 測(cè)量測(cè)試材料內(nèi)部的溫度歷程；
[0008] 獲取測(cè)試材料熱物性參數(shù)；
[0009] 假設(shè)測(cè)試材料熱物性參數(shù)已知，利用材料的邊界條件和初始條件計(jì)算材料內(nèi)部的 溫度分布，以計(jì)算溫度分布和實(shí)測(cè)溫度歷程的偏差構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)L-M方法對(duì)材料熱 物性參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到測(cè)試材料隨溫度變化的熱導(dǎo)率和熱容。
[0010] 優(yōu)選的，所述當(dāng)測(cè)試材料熱物性參數(shù)已知時(shí)，利用材料的邊界條件和初始條件計(jì) 算材料內(nèi)部的溫度分布包括：
[0011] 將測(cè)試材料內(nèi)部溫度滿(mǎn)足的邊界條件和初始條件帶入材料內(nèi)部的溫度分布控制 方程，計(jì)算材料內(nèi)部的溫度分布；
[0012] 材料內(nèi)部的溫度分布控制方程如下：
[0014] 其中，T為材料內(nèi)部溫度分布，X為熱傳導(dǎo)方向，k(T)和Cp⑴為材料隨溫度變化 的熱導(dǎo)率和熱容，t為時(shí)間；
[0015] 測(cè)試材料內(nèi)部溫度滿(mǎn)足的邊界條件和初始條件如下：
CN 105181740 A 說(shuō)明書(shū) 2/5 頁(yè)
[0018] T (x, 0) = T0
[0019] 其中，q"為材料表面的熱流密度，ε為材料表面的發(fā)射率，T。為材料初始時(shí)刻的 溫度，T1Sx= 1處的溫度。
[0020] 優(yōu)選的，所述將測(cè)試材料內(nèi)部溫度滿(mǎn)足的邊界條件和初始條件帶入材料內(nèi)部的溫 度分布控制方程，計(jì)算材料內(nèi)部的溫度分布，包括：
[0021] 利用基爾霍夫變換將材料內(nèi)部的溫度分布控制方程由非線(xiàn)性變換為線(xiàn)性，變換后 的形式如下：
[0027] 通過(guò)有限差分方法求解U(x，t)，進(jìn)而通過(guò)U(x，t)和T的對(duì)應(yīng)關(guān)系求出材料內(nèi)部的 溫度分布。
[0028] 優(yōu)選的，所述方法還包括：
[0029] 當(dāng)測(cè)試材料熱物性參數(shù)未知時(shí)，設(shè)置測(cè)試材料熱物性參數(shù)初始值；
[0030] 利用所述測(cè)試材料熱物性參數(shù)初始值計(jì)算材料內(nèi)部的溫度歷程；
[0031] 將計(jì)算的材料內(nèi)部的溫度歷程與測(cè)量的測(cè)試材料內(nèi)部的溫度歷程比較，以其殘差 的平方作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)L-M方法對(duì)材料的熱物性參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；
[0032] 得到使目標(biāo)函數(shù)滿(mǎn)足終止準(zhǔn)則的熱物性參數(shù)值，即為測(cè)試材料隨溫度變化的熱導(dǎo) 率和熱容。
[0033] 優(yōu)選的，所述測(cè)量測(cè)試材料表面的發(fā)射率，包括：
[0034] 利用單比色測(cè)溫方法結(jié)合熱電偶測(cè)溫，測(cè)量測(cè)試材料表面的發(fā)射率。
[0035] 優(yōu)選的，測(cè)量測(cè)試材料表面的熱流密度，包括：
[0036] 利用戈登計(jì)標(biāo)定在距離石英輻照燈燈口處的輻射熱流密度。
[0037] 優(yōu)選的，測(cè)量測(cè)試材料內(nèi)部的溫度歷程，包括：
[0038] 開(kāi)啟輻照燈，加熱試樣，記錄試樣內(nèi)部的溫度歷程，待試樣內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度升高到欲 辨識(shí)溫度上限時(shí)停止加熱。
[0039] 本發(fā)明實(shí)施例還提供一種同時(shí)辨識(shí)材料的熱導(dǎo)率和熱容的測(cè)試裝置，所述測(cè)試裝 置包括輻照燈、熱電偶、單比色測(cè)溫儀、戈登計(jì)、數(shù)據(jù)記錄儀和數(shù)據(jù)處理器；
[0040] 所述輻照燈，用于照射測(cè)試材料表面進(jìn)行加熱；
[0041] 所述熱電偶和單比色測(cè)溫儀，用于測(cè)量測(cè)試材料內(nèi)部溫度分布和表面溫度；
[0042] 所述戈登計(jì)，用于標(biāo)定石英輻照燈燈口處的輻射熱流密度；
[0043] 所述數(shù)據(jù)記錄儀，用于采集測(cè)試數(shù)據(jù)；
[0044] 所述數(shù)據(jù)處理器，用于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0045] 優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理器利用材料的邊界條件和初始條件計(jì)算材料內(nèi)部的溫度分 布，并通過(guò)L-M方法進(jìn)行優(yōu)化得到測(cè)試材料隨溫度變化的熱導(dǎo)率和熱容。
[0046] 優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理器將測(cè)試材料內(nèi)部溫度滿(mǎn)足的邊界條件和初始條件帶入材 料內(nèi)部的溫度分布方程，計(jì)算材料內(nèi)部的溫度分布，得到測(cè)試材料隨溫度變化的熱導(dǎo)率和 熱容。
[0047] 本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：
[0048] 上述方案中，利用L-M方法可以實(shí)現(xiàn)隨溫度變化的熱導(dǎo)率和比熱的同時(shí)辨識(shí)，相 比于傳統(tǒng)的測(cè)試方法，避免了重復(fù)試驗(yàn)，節(jié)約測(cè)試成本，提高效率，并同時(shí)提高材料熱物性 辨識(shí)的精度，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0049] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的同時(shí)辨識(shí)材料的熱導(dǎo)率和熱容的方法流程圖；
[0050] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的同時(shí)辨識(shí)材料的熱導(dǎo)率和熱容的測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0051] [主要元件符號(hào)說(shuō)明]
[0052] 1、輻照燈；
[0053] 2、熱電偶；
[0054] 3、測(cè)溫探頭；
[0055] 4、戈登計(jì)；
[0056] 5、數(shù)據(jù)采集儀；
[0057] 6、數(shù)據(jù)處理器。
【具體實(shí)施方式】
[0058] 為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具 體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0059] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種同時(shí)辨識(shí)材料的熱導(dǎo)率和熱容的方法，所述方 法包括：
[0060] 步驟101 :測(cè)量測(cè)試材料表面的發(fā)射率。
[0061 ] 步驟102 :測(cè)量測(cè)試材料表面的熱流密度。
[0062] 步驟103 :測(cè)量測(cè)試材料內(nèi)部的溫度歷程。
[0063] 步驟104 :獲取測(cè)試材料熱物性參數(shù)。
[0064] 步驟105 :當(dāng)測(cè)試材料熱物性參數(shù)已知時(shí)，利用材料的邊界條件和初始條件計(jì)算 材料內(nèi)部的溫度分布。
[0065] 優(yōu)選的，所述當(dāng)測(cè)試材料熱物性參數(shù)已知時(shí)，利用材料的邊界條件和初始條件計(jì) 算材料內(nèi)部的溫度分布包括：
[0066] 將測(cè)試材料內(nèi)部溫度滿(mǎn)足的邊界條件和初始條件帶入材料內(nèi)部的溫度分布方程， 計(jì)算材料內(nèi)部的溫度分布；
[0067] 材料內(nèi)部的溫度分布控制方程如下：
[0069] 其中，T為材料內(nèi)部溫度分布，X為熱傳導(dǎo)方向，k(T)和Cp⑴為材料隨溫度變化 的熱導(dǎo)率和熱容；
[0070] 測(cè)試材料內(nèi)部溫度滿(mǎn)足的邊界條件和初始條件如下：
[0073] T (X，0) = T0
[0074] 其中，q"為材料表面的熱流密度，ε為材料表面的發(fā)射率，T。為材料初始時(shí)刻的 溫度，T1Sx= 1處的溫度。
[0075] 優(yōu)選的，所述將測(cè)試材料內(nèi)部溫度滿(mǎn)足的邊界條件和初始條件帶入材料內(nèi)部的溫 度分布方程，計(jì)算材料內(nèi)部的溫度分布。包括：
[0076] 利用基爾霍夫變換將材料內(nèi)部的溫度分布控制方程由非線(xiàn)性變換為線(xiàn)性，變換后 形式如下：
[0082] 通過(guò)有限差分方法求解U(x，t)，進(jìn)而通過(guò)U(x，t)和T的對(duì)應(yīng)關(guān)系求出材料內(nèi)部的 溫度分布。
[0083] 優(yōu)選的，所述方法還包括：
[0084] 當(dāng)測(cè)試材料熱物性參數(shù)