燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法
燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及瞬态温度场的检测领域，具体而言涉及一种燃烧室内壁瞬态温度场的 超声波非侵入式测量方法。
【背景技术】
[0002] 高温高压封闭空间内的燃烧、爆炸和等离子体放电等现象始终是国防科技相关研 究的热点问题之一。通过直接测试获取送些发生物理化学反应的高压容器内部瞬态温度场 变化规律，对促进相关现象的基础研究和应用研究具有重要理论意义和实用价值。例如火 炮药室、火箭发动机燃烧室、电磁轨道炮导轨和巧克马克等装置的瞬态热力学过程，或内燃 机、航空发动机和核反应堆的工作状态，在容器的内部或者内壁面上存在着条件极为苛刻 的光学不可视瞬态温度场，传统的接触式和非接触式测量方法往往不能满足要求。接触式 测温法将温度敏感探头直接接触被测对象，一方面温度探头的置入会不可避免地对被测温 度场造成干扰，另一方面温度探头的时间响应特性也影响瞬态温度场的测量结果。例如，目 前火炮内膛温度测试所采用的盲孔法，利用热电偶测量距离身管内壁面一定距离上盲孔底 部的温度来推算内壁面的温度，由于盲孔破坏了原有温度场结构，W及热电偶的热惯性的 影响，其测试结果往往不能真实反映燃烧室内壁面的温度。非接触式测温法主要包括各种 光学测温法，通过分析被测对象的光谱福射特性来确定对象的温度，送种方法在实验室和 工程上都得到了应用，由于光学测温法要求被测对象必须是光学可视的，因此对于前述光 学不可视装置内部温度场的测试无能为力。
[0003] 利用超声波在不同声阻抗材料中传播特性不同的特点，超声波检测技术在机械电 子工程中的无损探伤、食品和医学工程上的温度检测W及新型功能材料的物理特性的测试 中具有广泛的应用。众所周知，超声波在介质中的传播速度取决于材料的弹性模量，而大多 数材料的弹性模量是温度的函数，因此当超声波在介质中传播时，其速度可W表示成温度 的函数。脉冲超声波穿越时差（Time-of-fli曲t)测温法就是通过测量脉冲超声波穿越某 种材料的时间差来完成对象温度的测量：在已知超声波发射和接收所经历的路径长度、材 料的温度和弹性模量之间关系的条件下，就可W利用测量得到的时间差计算出超声波路径 上材料温度的平均值。基于送种原理，国内外已经研究开发出各种利用超声波测量气体、 液体或固体的平均温度的仪器设备，并在工业生产和国民生活中得到应用。超声波测温大 多数的应用是医学工程上的人体内部温度非侵入式测量，要求定位精确，温度分辨率和测 温精度高，但是送类研究通常W稳态温度场为研究对象，对超声波的频率、数据采集和处理 速率要求较低，并且测温范围较小。孟立凡等根据气体的温度与声波在气体中传播速度之 间的关系，初步设计了用于测量高温气体瞬态温度场的超声波传感器，其测温范围可达到 220(TC，可用于火炸药燃烧、爆炸火焰、发动机燃气等温度场的瞬态测试，但是，有关实验研 究结果和应用情况未见后续报道。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法。
[0005] 根据本发明的目的，一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法的实 现包括W下步骤：
[0006] 步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度；
[0007] 步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波 形；
[0008] 步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁 面的温度；W及
[0009] 步骤4、重复上述步骤1-3 W实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。
[0010] 进一步的实施例中，前述方法中，更包含：
[0011] 通过一温度测试仪测量被测对象的温度。
[0012] 进一步的实施例中，前述方法中，前述超声探头采用2. 5MHz W及5MHz高频脉冲单 晶直探头，并通过一超声波脉冲发生器为超声探头提供激励信号，然后通过示波器记录超 声波脉冲及回波信号。
[0013] 进一步的实施例中，前述方法中，更包含：
[0014] 根据超声波时延波形计算出超声波的传播速率，结合步骤1采集的回波信号，利 用计算机计算得到该时刻下时延波形对应超声波的传播速率。
[0015] 由W上本发明的技术方案可知，本发明所提出的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波 非侵入式测量方法，在燃烧室外壁安装超声波发射和接收传感器（超声探头），设计合理的 高频脉冲发生器和换能器及相应的信号检测装置，通过对测量超声波发生器产生的纵波入 射到内壁面后反射到超声波接收器的时间差，结合容器壁面的瞬态传热过程的数值计算得 到燃烧室壁内的温度变化规律。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明较优实施例的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法 的流程图。
[0017] 图2为温度和超声检测的原理示意图。
[0018] 图3为稳态工况下实验示意图。
[0019] 图4为非稳态工况下实验示意图。
[0020] 图5为13. 5°C下铅合金超声波回波波形延时曲线。
[0021] 图6为稳态条件下合金铅温度与超声声速关系图。
【具体实施方式】
[0022] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0023] 本发明所提出的燃烧室内壁（例如火炸药燃烧、爆炸为背景的高压容器壁面）瞬 态温度场的超声波非侵入式测量方法，由超声波在介质中的传播特性可知，当超声波纵波 从声阻抗特性大的介质（钢、合金材料等）传播到声阻抗特性小的介质（空气、燃气）时， 其声强反射系数远远大于透射系数。因此在燃烧室外壁安装超声波发射和接收传感器，设 计合理的高频脉冲发生器和换能器及相应的信号检测装置，通过对测量超声波发生器产生 的纵波入射到内壁面后反射到超声波接收器的时间差，结合容器壁面的瞬态传热过程的数 值计算得到燃烧室壁内的温度变化规律。
[0024] 如图1所示的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法的实现流程，一 种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法的实现包括W下步骤：
[00巧]步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度；
[0026] 步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波 形；
[0027] 步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁 面的温度；W及
[0028] 步骤4、重复上述步骤1-3 W实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。
[002引如图2所示为温度和超声检测的原理示意，其中，超声探头采用2. 5MHz W及5MHz 高频脉冲单晶直探头，并通过一超声波脉冲发生器（例如CTS-8077PR)为超声探头提供激 励信号，然后通过示波器（例如数字示波器GDS-2102)记录超声波脉冲及回波信号。
[0030] 如图2所示，前述方法中，更包含：
[0031] 通过一温度测试仪（即热电偶温度监视器）测量被测对象的温度。
[0032] 前述方法中，在步骤3中，更包含：
[0033] 根据超声波时延波形计算出超声波的传播速率，结合步骤1采集的回波信号，利 用计算机计算得到该时刻下时延波形对应超声波的传播速率。
[0034] 如图3、4所示，为两个阶段，两种状况下的试验示意图。
[00对一、两个阶段：
[0036] (1)稳态热传导工况下测定波速
[0037] 实验开始，通过监视试件两端温度，记录时间点，并采集初始超声波检测初始回波 图，实验如图3所示。对整段采样试件进行均匀加热，为保证受热均匀，实验采用电热带缠 绕或水浴加热整段采样试件进行模拟，当温度通过测试仪反应到显示屏上时，记录该温度 对应时刻的波形传播图。
[0038] 为了方便取样，保证实验数据充足可用，每隔1(TC进行一次波形采集，直至实验可 用最高温度。
[0039] (2)非稳态传导工况下测定波速
[0040] 对比稳态热传导工况，非稳态热传导下，将采样试件置于固定台上，两端分别WA、 B来区分，如 图4所示。对B端进行加热，加热方式为酒精灯直接加热，监视B端温度通过显 示器显示出每时刻温度变化，记录初始温度W及初始时刻，并保存示波器对应波形，实验W B端温度每升高1(TC为间隔进行波形的采集。
[0041] 记录下A端对应温度，持续对B端进行加热，记录温度W及波形，直至加热至实验 温度可用为止。
[0042] 二、两种状况
[0043] (1)稳态工况下合金铅声波时延特性
[0044] 选铅合金棒材，加工成所需形状，在装配好超声探头及热电偶后，测量不同温度条 件下超声波反射波的特性，从常温（13.510开始持续缓慢加热，使样本材料保持均匀的温 升，模拟稳态条件下温度场的变化进行实验。
[0045] 由于声波速度随温度变化的相对变化量（Δ V/V)相对较小，为了减小测量误差， 我们取声波的Η次回波信号与初始声波的时差来测量声波延时，对应的声波行程为3倍的 声波往返路径长。通过对不同温度条件下实验波形的记录，事实上由于加热过程较慢，金属 材料的导热系数极高，因此样本能保持较为一致的温度，送样就可W计算得出超声波在试 件样本中传播的平均速度。
[0046] 13. 5°C下铅合金超声波回波波形延时曲线如图5。稳态条件下合金铅温度与超声 声速关系如图6所示。
[0047] (2)非稳态工况下合金铅实验特性
[0048] 在保持实验装置不变的条件下，被测试件一端从常温开始加热，模拟非稳态条件 下温度场的变化进行实验，为方便区分，W A、B端来描述。其中，A端为超声波入射和回波 信号接收端，B端为加热端。由于金属材料导热系数高，对B端的加热使其温度上升的同时， 热量向A端传递，因此整个声波回程上温度都是变化的。为了确定两个端面的温度，我们同 样采用热电偶对A、B端温度进行监测。波形位移与传播速度如下表1。
[0049] 表1非稳态铅合金波形位移与传播速度表
[0050]
[0051] 由于采用超声波探测非稳态温度场的分布时，温度场的分布特征对超声的波的传 播速度产生影响。实验条件下仅仅测量试样两端温度变化并不能确定试样中的温度分布， 进而刻画声波的传播特性，因此需要通过数值计算来模拟试样中一维非稳态导热问题，确 定温度在试样中的分布，W方便求解及对应时间步长的修正，进而计算超声波在被测试件 中的传播速度。
[0052] 非稳态传热学基本方程：
[0053] 由于在整个实验过程中，均未涉及到流体加热或者工况的进出，因此传热过程中 仅仅只考虑能量方程。
[0054] 任何包含有传热过程热量散失与导热均需满足能量守恒定律，单位时间内微元体 中能量的增加率等于单位时间外界传给微元体的净热量加上外界对微元体所做的功，表达 式如下：
[00 巧]
[0056] 上式中，E为流体微团的总能，包含内能、势能与动能之和，其定义为
hj为组分j的洽，其定义是
其中Tfw = 298. 15K ; λ cff为有 效导热系数，λ wf= λ+ λι，λ t为瑞流导热系数，是基于具体不同的瑞流模型来确定的；J, 表示组分j的扩散通量；Sh表示反应热W及其他所有的体积热源项之总和。
[0057] 对于本实验中的非稳态温度场的实验过程，可作为一维非稳态导热问题来求解。 由于非稳态导热过程中在热量传递方向上不同位置处的导热量是处处不同的，不同位置间 导热量的差别用于（或来自）该两个位置间的物体内能随着时间的变化，虽然对非稳态导 热不能用热阻的方法来进行定量分析，但在本实验中，由于对合金材料两端温度进行了测 量。因此，在内部可W近似当作准稳态条件来进行计算和求解。
[0058] 实验数据处理：
[005引 1、准稳态处理
[0060] 将稳态条件下合金铅实验得到的温度与超声波传播速度进行线性拟合，得到温度 与超声波传播速度的关系式。
[0061] 由于非稳态工况下，铅合金从B端到A端传热，在整段轴向距离上划分微小网格， 在每个网格中，可近似视作准稳态传热问题进行计算，利用FL肥NT软件，选取每一段受热 时间段为时间步长进行计算。
[0062] 合金铅实验材料长度为196mm，两端分别为给定固定温度进行模拟稳态传热计算， 网格W 1mm为单位正方形网格，轴向共196个网格，为了便于实验数据分析，本实验选定轴 向上传播速度为基准来进行数据分析。
[0063] 2、非稳态处理
[0064] 非稳态处理法就是按照非稳态处理，即相当于在FL肥NT模拟中A端温度出口边界 为开口边界，入口边界用U壯文件将按照时间变化的温度导入到FLUENT软件包中，运算时 将随时间变化的温度输入入口边界进行非稳态热传导计算，将两种计算结果与实验值进行 比较。
[0065] 经过FL肥NT运算，可W得到表2的结果。
[0066] 表2合金铅实验数值与模拟计算数值对照表
[0067]
[0068] 进而，已知只要测得某一温度下横波和纵波的传播速度，就可计算出材料在该温 度下的各项弹性系数，由材料手册可W得知，铅材密度为2. 69g/cm3,泊松比为0. 33,验证计 算得表3。通过验证计算，可W看出脉冲超声波所得到的弹性模量与材料中给定的弹性模量 变化规律基本一致，而且随着温度的增高，弹性模量在下降。
[0069] 表3合金铅弹性模量验证表
[0070]
[0071] 因此，根据该材料超声波传播速率与介质温度间函数关系，已知声波速度推算燃 烧室壁面温度，该方法可行并在误差范围内的。
[0072] 虽然本发明已W较佳实施例掲露如上，然其并非用W限定本发明。本发明所属技 术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因 此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【主权项】
1. 一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度； 步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波形； 步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁面的 温度；以及 步骤4、重复上述步骤1-3以实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。2. 根据权利要求1所述的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，其特征 在于，前述方法中，更包含： 通过一温度测试仪测量被测对象的温度。3. 根据权利要求1所述的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，其特征 在于，前述方法中，前述超声探头采用2. 5MHz以及5MHz高频脉冲单晶直探头，并通过一超 声波脉冲发生器为超声探头提供激励信号，然后通过示波器记录超声波脉冲及回波信号。4. 根据权利要求1所述的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，其特征 在于，前述方法中，更包含： 根据超声波时延波形计算出超声波的传播速率，结合步骤1采集的回波信号，利用计 算机计算得到该时刻下时延波形对应超声波的传播速率。
【专利摘要】本发明提供一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，包括以下步骤：步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度；步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波形；步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁面的温度；以及步骤4、重复上述步骤1-3以实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。本发明的方法中，通过在燃烧室外壁安装超声波发射和接收传感器(超声探头)，设计合理的高频脉冲发生器和换能器及相应的信号检测装置，通过对测量超声波发生器产生的纵波入射到内壁面后反射到超声波接收器的时间差，结合容器壁面的瞬态传热过程的数值计算得到燃烧室壁内的温度变化规律。
【IPC分类】G01K11/24
【公开号】CN105486424
【申请号】CN201410476143
【发明人】刘家远, 周璇, 逯峤, 张明鸣, 刘东尧
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月17日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及瞬态温度场的检测领域，具体而言涉及一种燃烧室内壁瞬态温度场的 超声波非侵入式测量方法。
【背景技术】
[0002] 高温高压封闭空间内的燃烧、爆炸和等离子体放电等现象始终是国防科技相关研 究的热点问题之一。通过直接测试获取送些发生物理化学反应的高压容器内部瞬态温度场 变化规律，对促进相关现象的基础研究和应用研究具有重要理论意义和实用价值。例如火 炮药室、火箭发动机燃烧室、电磁轨道炮导轨和巧克马克等装置的瞬态热力学过程，或内燃 机、航空发动机和核反应堆的工作状态，在容器的内部或者内壁面上存在着条件极为苛刻 的光学不可视瞬态温度场，传统的接触式和非接触式测量方法往往不能满足要求。接触式 测温法将温度敏感探头直接接触被测对象，一方面温度探头的置入会不可避免地对被测温 度场造成干扰，另一方面温度探头的时间响应特性也影响瞬态温度场的测量结果。例如，目 前火炮内膛温度测试所采用的盲孔法，利用热电偶测量距离身管内壁面一定距离上盲孔底 部的温度来推算内壁面的温度，由于盲孔破坏了原有温度场结构，W及热电偶的热惯性的 影响，其测试结果往往不能真实反映燃烧室内壁面的温度。非接触式测温法主要包括各种 光学测温法，通过分析被测对象的光谱福射特性来确定对象的温度，送种方法在实验室和 工程上都得到了应用，由于光学测温法要求被测对象必须是光学可视的，因此对于前述光 学不可视装置内部温度场的测试无能为力。
[0003] 利用超声波在不同声阻抗材料中传播特性不同的特点，超声波检测技术在机械电 子工程中的无损探伤、食品和医学工程上的温度检测W及新型功能材料的物理特性的测试 中具有广泛的应用。众所周知，超声波在介质中的传播速度取决于材料的弹性模量，而大多 数材料的弹性模量是温度的函数，因此当超声波在介质中传播时，其速度可W表示成温度 的函数。脉冲超声波穿越时差（Time-of-fli曲t)测温法就是通过测量脉冲超声波穿越某 种材料的时间差来完成对象温度的测量：在已知超声波发射和接收所经历的路径长度、材 料的温度和弹性模量之间关系的条件下，就可W利用测量得到的时间差计算出超声波路径 上材料温度的平均值。基于送种原理，国内外已经研究开发出各种利用超声波测量气体、 液体或固体的平均温度的仪器设备，并在工业生产和国民生活中得到应用。超声波测温大 多数的应用是医学工程上的人体内部温度非侵入式测量，要求定位精确，温度分辨率和测 温精度高，但是送类研究通常W稳态温度场为研究对象，对超声波的频率、数据采集和处理 速率要求较低，并且测温范围较小。孟立凡等根据气体的温度与声波在气体中传播速度之 间的关系，初步设计了用于测量高温气体瞬态温度场的超声波传感器，其测温范围可达到 220(TC，可用于火炸药燃烧、爆炸火焰、发动机燃气等温度场的瞬态测试，但是，有关实验研 究结果和应用情况未见后续报道。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法。
[0005] 根据本发明的目的，一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法的实 现包括W下步骤：
[0006] 步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度；
[0007] 步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波 形；
[0008] 步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁 面的温度；W及
[0009] 步骤4、重复上述步骤1-3 W实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。
[0010] 进一步的实施例中，前述方法中，更包含：
[0011] 通过一温度测试仪测量被测对象的温度。
[0012] 进一步的实施例中，前述方法中，前述超声探头采用2. 5MHz W及5MHz高频脉冲单 晶直探头，并通过一超声波脉冲发生器为超声探头提供激励信号，然后通过示波器记录超 声波脉冲及回波信号。
[0013] 进一步的实施例中，前述方法中，更包含：
[0014] 根据超声波时延波形计算出超声波的传播速率，结合步骤1采集的回波信号，利 用计算机计算得到该时刻下时延波形对应超声波的传播速率。
[0015] 由W上本发明的技术方案可知，本发明所提出的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波 非侵入式测量方法，在燃烧室外壁安装超声波发射和接收传感器（超声探头），设计合理的 高频脉冲发生器和换能器及相应的信号检测装置，通过对测量超声波发生器产生的纵波入 射到内壁面后反射到超声波接收器的时间差，结合容器壁面的瞬态传热过程的数值计算得 到燃烧室壁内的温度变化规律。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明较优实施例的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法 的流程图。
[0017] 图2为温度和超声检测的原理示意图。
[0018] 图3为稳态工况下实验示意图。
[0019] 图4为非稳态工况下实验示意图。
[0020] 图5为13. 5°C下铅合金超声波回波波形延时曲线。
[0021] 图6为稳态条件下合金铅温度与超声声速关系图。
【具体实施方式】
[0022] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0023] 本发明所提出的燃烧室内壁（例如火炸药燃烧、爆炸为背景的高压容器壁面）瞬 态温度场的超声波非侵入式测量方法，由超声波在介质中的传播特性可知，当超声波纵波 从声阻抗特性大的介质（钢、合金材料等）传播到声阻抗特性小的介质（空气、燃气）时， 其声强反射系数远远大于透射系数。因此在燃烧室外壁安装超声波发射和接收传感器，设 计合理的高频脉冲发生器和换能器及相应的信号检测装置，通过对测量超声波发生器产生 的纵波入射到内壁面后反射到超声波接收器的时间差，结合容器壁面的瞬态传热过程的数 值计算得到燃烧室壁内的温度变化规律。
[0024] 如图1所示的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法的实现流程，一 种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法的实现包括W下步骤：
[00巧]步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度；
[0026] 步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波 形；
[0027] 步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁 面的温度；W及
[0028] 步骤4、重复上述步骤1-3 W实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。
[002引如图2所示为温度和超声检测的原理示意，其中，超声探头采用2. 5MHz W及5MHz 高频脉冲单晶直探头，并通过一超声波脉冲发生器（例如CTS-8077PR)为超声探头提供激 励信号，然后通过示波器（例如数字示波器GDS-2102)记录超声波脉冲及回波信号。
[0030] 如图2所示，前述方法中，更包含：
[0031] 通过一温度测试仪（即热电偶温度监视器）测量被测对象的温度。
[0032] 前述方法中，在步骤3中，更包含：
[0033] 根据超声波时延波形计算出超声波的传播速率，结合步骤1采集的回波信号，利 用计算机计算得到该时刻下时延波形对应超声波的传播速率。
[0034] 如图3、4所示，为两个阶段，两种状况下的试验示意图。
[00对一、两个阶段：
[0036] (1)稳态热传导工况下测定波速
[0037] 实验开始，通过监视试件两端温度，记录时间点，并采集初始超声波检测初始回波 图，实验如图3所示。对整段采样试件进行均匀加热，为保证受热均匀，实验采用电热带缠 绕或水浴加热整段采样试件进行模拟，当温度通过测试仪反应到显示屏上时，记录该温度 对应时刻的波形传播图。
[0038] 为了方便取样，保证实验数据充足可用，每隔1(TC进行一次波形采集，直至实验可 用最高温度。
[0039] (2)非稳态传导工况下测定波速
[0040] 对比稳态热传导工况，非稳态热传导下，将采样试件置于固定台上，两端分别WA、 B来区分，如 图4所示。对B端进行加热，加热方式为酒精灯直接加热，监视B端温度通过显 示器显示出每时刻温度变化，记录初始温度W及初始时刻，并保存示波器对应波形，实验W B端温度每升高1(TC为间隔进行波形的采集。
[0041] 记录下A端对应温度，持续对B端进行加热，记录温度W及波形，直至加热至实验 温度可用为止。
[0042] 二、两种状况
[0043] (1)稳态工况下合金铅声波时延特性
[0044] 选铅合金棒材，加工成所需形状，在装配好超声探头及热电偶后，测量不同温度条 件下超声波反射波的特性，从常温（13.510开始持续缓慢加热，使样本材料保持均匀的温 升，模拟稳态条件下温度场的变化进行实验。
[0045] 由于声波速度随温度变化的相对变化量（Δ V/V)相对较小，为了减小测量误差， 我们取声波的Η次回波信号与初始声波的时差来测量声波延时，对应的声波行程为3倍的 声波往返路径长。通过对不同温度条件下实验波形的记录，事实上由于加热过程较慢，金属 材料的导热系数极高，因此样本能保持较为一致的温度，送样就可W计算得出超声波在试 件样本中传播的平均速度。
[0046] 13. 5°C下铅合金超声波回波波形延时曲线如图5。稳态条件下合金铅温度与超声 声速关系如图6所示。
[0047] (2)非稳态工况下合金铅实验特性
[0048] 在保持实验装置不变的条件下，被测试件一端从常温开始加热，模拟非稳态条件 下温度场的变化进行实验，为方便区分，W A、B端来描述。其中，A端为超声波入射和回波 信号接收端，B端为加热端。由于金属材料导热系数高，对B端的加热使其温度上升的同时， 热量向A端传递，因此整个声波回程上温度都是变化的。为了确定两个端面的温度，我们同 样采用热电偶对A、B端温度进行监测。波形位移与传播速度如下表1。
[0049] 表1非稳态铅合金波形位移与传播速度表
[0050]
[0051] 由于采用超声波探测非稳态温度场的分布时，温度场的分布特征对超声的波的传 播速度产生影响。实验条件下仅仅测量试样两端温度变化并不能确定试样中的温度分布， 进而刻画声波的传播特性，因此需要通过数值计算来模拟试样中一维非稳态导热问题，确 定温度在试样中的分布，W方便求解及对应时间步长的修正，进而计算超声波在被测试件 中的传播速度。
[0052] 非稳态传热学基本方程：
[0053] 由于在整个实验过程中，均未涉及到流体加热或者工况的进出，因此传热过程中 仅仅只考虑能量方程。
[0054] 任何包含有传热过程热量散失与导热均需满足能量守恒定律，单位时间内微元体 中能量的增加率等于单位时间外界传给微元体的净热量加上外界对微元体所做的功，表达 式如下：
[00 巧]
[0056] 上式中，E为流体微团的总能，包含内能、势能与动能之和，其定义为
hj为组分j的洽，其定义是
其中Tfw = 298. 15K ; λ cff为有 效导热系数，λ wf= λ+ λι，λ t为瑞流导热系数，是基于具体不同的瑞流模型来确定的；J, 表示组分j的扩散通量；Sh表示反应热W及其他所有的体积热源项之总和。
[0057] 对于本实验中的非稳态温度场的实验过程，可作为一维非稳态导热问题来求解。 由于非稳态导热过程中在热量传递方向上不同位置处的导热量是处处不同的，不同位置间 导热量的差别用于（或来自）该两个位置间的物体内能随着时间的变化，虽然对非稳态导 热不能用热阻的方法来进行定量分析，但在本实验中，由于对合金材料两端温度进行了测 量。因此，在内部可W近似当作准稳态条件来进行计算和求解。
[0058] 实验数据处理：
[005引 1、准稳态处理
[0060] 将稳态条件下合金铅实验得到的温度与超声波传播速度进行线性拟合，得到温度 与超声波传播速度的关系式。
[0061] 由于非稳态工况下，铅合金从B端到A端传热，在整段轴向距离上划分微小网格， 在每个网格中，可近似视作准稳态传热问题进行计算，利用FL肥NT软件，选取每一段受热 时间段为时间步长进行计算。
[0062] 合金铅实验材料长度为196mm，两端分别为给定固定温度进行模拟稳态传热计算， 网格W 1mm为单位正方形网格，轴向共196个网格，为了便于实验数据分析，本实验选定轴 向上传播速度为基准来进行数据分析。
[0063] 2、非稳态处理
[0064] 非稳态处理法就是按照非稳态处理，即相当于在FL肥NT模拟中A端温度出口边界 为开口边界，入口边界用U壯文件将按照时间变化的温度导入到FLUENT软件包中，运算时 将随时间变化的温度输入入口边界进行非稳态热传导计算，将两种计算结果与实验值进行 比较。
[0065] 经过FL肥NT运算，可W得到表2的结果。
[0066] 表2合金铅实验数值与模拟计算数值对照表
[0067]
[0068] 进而，已知只要测得某一温度下横波和纵波的传播速度，就可计算出材料在该温 度下的各项弹性系数，由材料手册可W得知，铅材密度为2. 69g/cm3,泊松比为0. 33,验证计 算得表3。通过验证计算，可W看出脉冲超声波所得到的弹性模量与材料中给定的弹性模量 变化规律基本一致，而且随着温度的增高，弹性模量在下降。
[0069] 表3合金铅弹性模量验证表
[0070]
[0071] 因此，根据该材料超声波传播速率与介质温度间函数关系，已知声波速度推算燃 烧室壁面温度，该方法可行并在误差范围内的。
[0072] 虽然本发明已W较佳实施例掲露如上，然其并非用W限定本发明。本发明所属技 术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因 此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【主权项】
1. 一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度； 步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波形； 步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁面的 温度；以及 步骤4、重复上述步骤1-3以实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。2. 根据权利要求1所述的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，其特征 在于，前述方法中，更包含： 通过一温度测试仪测量被测对象的温度。3. 根据权利要求1所述的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，其特征 在于，前述方法中，前述超声探头采用2. 5MHz以及5MHz高频脉冲单晶直探头，并通过一超 声波脉冲发生器为超声探头提供激励信号，然后通过示波器记录超声波脉冲及回波信号。4. 根据权利要求1所述的燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，其特征 在于，前述方法中，更包含： 根据超声波时延波形计算出超声波的传播速率，结合步骤1采集的回波信号，利用计 算机计算得到该时刻下时延波形对应超声波的传播速率。
【专利摘要】本发明提供一种燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法，包括以下步骤：步骤1、检测燃烧室外壁非加热端的温度；步骤2、利用超声探头采集非加热端在其另一端受到加热情况下的超声波时延波形；步骤3、根据超声波传播速率与步骤1测得的外壁温度间函数关系，推算燃烧室壁面的温度；以及步骤4、重复上述步骤1-3以实现检测燃烧室内壁面温度场的变化。本发明的方法中，通过在燃烧室外壁安装超声波发射和接收传感器(超声探头)，设计合理的高频脉冲发生器和换能器及相应的信号检测装置，通过对测量超声波发生器产生的纵波入射到内壁面后反射到超声波接收器的时间差，结合容器壁面的瞬态传热过程的数值计算得到燃烧室壁内的温度变化规律。
【IPC分类】G01K11/24
【公开号】CN105486424
【申请号】CN201410476143
【发明人】刘家远, 周璇, 逯峤, 张明鸣, 刘东尧
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月17日
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