本发明涉及超声检测领域，具体是涉及一种对流换热系数的快速测量方法。
背景技术：
对流换热系数表征流体对流强度的重要参数，其准确预测在建筑节能、能源化工、铸造加工等领域具有重要应用价值，但由于其与流体和换热表面的物性、状态等诸多因素有关，因此如何准确获得对流换热系数是工程中的难点问题之一。
测定对流换热系数的方法主要有稳态法与瞬态法。稳态法原理简单、操作简便，但实验周期长。瞬态法则具有周期短、误差小优点，但存在实验设备复杂和实验条件苛刻(例如要求固体温度可视为均匀)等问题。本发明将对流换热系数的测量转换为求解热传导问题边界未知参数的优化问题，本质上属于瞬态法。但本发明基于超声法，所需测量装置简单、操作简便，同时保留了瞬态法测量周期短和精度高的优点。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种对流换热系数的快速测量方法，根据介质温度-超声传播特性，采用超声回波法，将对流换热系数的测量转换为求解热传导问题边界未知参数的优化问题，基于热传导反问题的求解可快速、无损地测量随温度变化的表面流换热系数。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
步骤一：基于标定实验，获取被测试件内部超声波传播速度v与温度t的关系。
步骤二：对试件进行加热，由超声波脉冲回波法，试件ti时刻的超声波传播时间ti,exp。
步骤三：将对流换热系数的测量转换为求解热传导问题边界未知参数的优化问题。采用如下的优化目标函数：
其中：hc为介质表面待测量的对流换热系数；ti,cal为数值计算得到的ti时刻的超声波传播时间，下标i表示的测量时间序数，n表示总的测量时间点数；l为试件被测方向的长度；
约束条件为：
其中：k，c和ρ分别为被测材料的导热系数、比热容和密度；tf为流体介质温度，由加热器进行控制；tt为超声探头放置端的温度，t0为试件的初始温度。
步骤四：采用伴随方程算法求解热传导反问题，获得介质表面的对流换热系数。
所述优化算法求解过程为：
(1)输入介质材料热物性参数、尺寸以及初始值；
(2)求解热传导方程，求出温度场t(x,t)和目标函数j(hc)的值；
(3)采用伴随方程算法对参数值进行优化，获得较优的hc；
(4)判断是否收敛(取ε≤1e-6)，若收敛，则停止计算；否则返回步骤(2)重复迭代，直到到达收敛；
(5)获得介质表面的对流换热系数hc。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、超声设备具有测量装置简单、操作简便和可多次重复使用等特点，并且该方法仅测量一次，例如被测试件加热面进行升温到预定温度值如500℃，即可获得室温至500℃不同温度下的对流换热系数，因此，本发明具有测量速度快、成本低等优势；
2、基于电磁或激光超声进行非接触测量时，对流换热系数测量几乎不受传感器耐温性能的影响，具有测量范围大的优势。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是对流换热系数测量方法的流程；
图2是随温度变化的对流换热系数测量结果。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
超声探头置于一圆柱体试件上端面，采用垂直入射方式激发脉冲超声波，基于测量试件中回波传播时间的变化。除下端与流体接触外，其余面绝热处理，即似为一维问题。通过求解热/声耦合反问题，反演试件与流体接触面的对流换热系数。
case1：流体温度t＝20×(1+t×0.045)(℃)，其中t为时间。固体表面的对流换热系数hc不随温度变化，真值为165w/m2℃。预测结果与真值吻合一致。
case2：流体温度t＝200×(1+t×0.0028)(℃)，其中t为时间。固体表面的对流换热系数hc室温-200℃时为165w/m2℃，超过200℃时为283w/m2℃。预测结果与真值吻合一致。
case3：流体温度t＝20×(1+t×0.1)(℃)，其中t为时间。固体表面的对流换热系数为hc＝0.0004×t2+0.4294×t+125.6(m2℃w-1)，其中t为温度。
上述材料参数由实验数据预先拟合获得，在工程实际中通常事先对对流换热系数没有任何先验知识，因此在传热模型中将对流换热系数表示为随位置和时间变化的分段函数，
并通过参数识别来给出该函数，具体计算流程如图1所示。
图2给出了随温度变化的对流换热系数测量结果。以6分段函数表征，平均误差小于1.20％。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。