一种固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法及系统与流程

1.本发明主要涉及到材料特性测量技术领域，特指一种固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法及系统。


背景技术：

2.固液相变材料可以吸收大量热量并保持温度不变，目前已经被广泛应用于太阳能储能、系统散热等工程领域。固液相变材料的导热系数和相变潜热是材料的关键热物性参数，其准确测量对于储能系统和散热系统的优化设计和调控至关重要。
3.然而，固液相变材料的导热系数和相变潜热难以直接同时测量。现有测量技术存在误差大、同时测量难度高、材料状态限制等问题。因此，发展准确、便捷的固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法，对于提高新能源利用、节能环保等具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、能实现同时测量且测量精度高的固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法及系统。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
6.一种固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法，其步骤包括：
7.步骤s1：建立固液相变材料内部辐射导热耦合换热模型，给定材料导热系数和相变潜热的初始猜测值其中，为固相材料导热系数的初始猜测值，为液相材料导热系数的初始猜测值，l0为相变潜热的初始猜测值；
8.步骤s2：在固液相变材料内部固相区和液相区分别布置一个热电偶，记录这两个测点在n个测量时刻的温度信息其中m＝1,2；n＝1,2,
…
,n；
9.步骤s3：基于固液相变材料内部辐射导热耦合换热模型，计算两个测点位置随时间变化的温度其中m＝1,2；n＝1,2,
…
,n；
10.步骤s4：根据两个测点温度的测量值和计算值建立固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量的输入信号e
m,n
，其中m＝1,2；n＝1,2,
…
,n；
11.步骤s5：构建固液相变材料导热系数和相变潜热测量的模糊推理单元fiu，获得输入信号e
m,n
，作用下的推理结果d
m,n
，其中m＝1,2；n＝1,2,
…
,n；
12.步骤s6：建立不同时刻、不同位置温度测量信息的综合加权机制，基于模糊推理单元和综合加权系数构建分散模糊推理模块；
13.步骤s7：根据分散模糊推理模块的输出结果更新导热系数和相变潜热步骤s7：根据分散模糊推理模块的输出结果更新导热系数和相变潜热检验迭代停止条件是否已经达到；如果满足停止条件，输出当前结果，否则，
返回步骤s3对导热系数和相变潜热继续迭代更新。
14.作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s1中固液相变材料内部辐射导热耦合换热模型，包括材料内部的导热和辐射换热两种换热方式，采用如下能量方程描述该换热过程：
[0015][0016]
其中，ρ、c和λ分别表示固液相变材料的密度、比热容和导热系数，t和t分别表示温度和时间，l和f
l
分别表示材料的相变潜热和液相率；
[0017]
其中表示辐射换热热流密度的散度，根据下式获得：
[0018][0019]
其中，ω表示光传输方向，r表示空间位置，κ表示吸收系数，i表示辐射强度，通过求解下述辐射传递方程获得：
[0020]
ω
[0021][0022]
其中，ω
′
表示激光的入射方向，β和σs分别表示衰减系数和散射系数，φ表示散射相函数。
[0023]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s2中所述固液相变材料内部固相区和液相区分别布置一个热电偶，是指在固液相变材料的内部纵向1/4和3/4位置各布置一个热电偶，并利用图像采集装置确定材料受热过程中两个热电偶测量位置的相态。
[0024]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s3中计算两个测点位置随时间变化的温度是通过数值求解辐射导热耦合换热问题获得。
[0025]
作为本发明方法的进一步改进：采用有限体积法和离散坐标法分别求解能量方程和辐射传递方程获得两个测点的温度。
[0026]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s4中固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量的输入信号e
m,n
建立如下：
[0027][0028]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s5中的模糊推理单元fiu，是根据输入信号e
m,n
产生表面导热系数和相变潜热反演的广义补偿量d
m,n
；输入信号的模糊子集a
l
和输出信号的模糊子集b
l
分别为：
[0029]al
＝{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}
[0030]bl
＝{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}
[0031]
其中，nb、nm、ns、ze、ps、pm和pb分别为“负大”、“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”和“正大”；模糊子集a
l
的论域为[-ri,ri]，模糊子集b
l
的论域为[-ro,ro]，采用等腰三角形函数确定模糊子集a
l
和b
l
的隶属度；根据前述模糊子集a
l
和b
l
、以及由a
l
到b
l
的推理规则，得到推理结果d
m,n
。
[0032]
作为本发明方法的进一步改进：第一个热电偶的记录数据主要用于液相材料导热
系数λ
l
的反演，第二个热电偶的记录数据主要用于固相材料导热系数λs的反演，两个热电偶的记录数据同时用于相变潜热l的反演；第i个测量时刻的温度对于λ
l
、λs和l反演的权重分别为：
[0033][0034][0035][0036]
其中，ψ表示测点温度对反演参数的敏感度，m表示测量时刻的个数。
[0037]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s7中所述的根据分散模糊推理模块的输出结果更新导热系数和相变潜热具体更新方式如下：
[0038][0039][0040]
lk＝l
k-1
α
1,id1,i
α
2,id2,i
[0041]
所述的迭代停止条件，具体如下：
[0042][0043]
其中，ε是一个指定的测量精度。
[0044]
本发明进一步提供一种固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量系统，其包括：
[0045]
激光头，与激光控制器相连并由激光控制器控制；所述激光头的输出端通过光纤耦合器、传输光纤与光纤准直器相连；所述光纤准直器朝向固液相变材料；
[0046]
图像采集装置，用来采集、确定材料受热过程中两个热电偶测量位置的相态；
[0047]
两个热电偶，分别位于固液相变材料内部固相区和液相区，用来记录这两个测点在多个测量时刻的温度信息；
[0048]
处理装置，用来对图像采集装置、两个热电偶输入的信号进行处理，得到导热系数和相变潜热。
[0049]
作为本发明系统的进一步改进：所述固液相变材料通过一夹具固定于升降平台上，通过升降平台来实现夹具及固液相变材料的位置调整。
[0050]
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
[0051]
本发明的固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法，
[0052]
1、本发明的固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法及系统，利用材料内部容易测量的瞬态温度信息，基于分散模糊推理模块，反演获得固液相变材料内部相变潜热、固相区导热系数和液相区导热系数，实现导热系数和相变潜热的同时测量，并有效降低随机误差对测量结果的影响，是本发明拟解决的关键技术问题。
[0053]
2、本发明的固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法及系统，利用热电偶采集材料内部温度信号，基于分散模糊推理模块产生热物性参数的广义补偿量，反演获得材料内部相变潜热、固相区导热系数和液相区导热系数。该方法对固液相变材料的种类、状态和相变温度没有限制，对于促进新能源利用、降低二氧化碳排放等具有重要意义，具有较强的工程实用价值。
附图说明
[0054]
图1是本发明方法的流程示意图。
[0055]
图2是模糊子集a
l
的隶属度函数曲线。
[0056]
图3是模糊子集b
l
的隶属度函数曲线。
[0057]
图4是本发明系统的结构原理示意图。
[0058]
图5是真实热物性参数和本发明测量结果对应固液相变材料温度变化。
[0059]
图例说明：
[0060]
1、激光控制器；2、电缆；3、图像采集装置；4、激光头；5、光纤耦合器；6、传输光纤；7、光纤准直器；8、固液相变材料；9、热电偶；10、夹具；11、升降平台；12、处理装置。
具体实施方式
[0061]
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0062]
本发明提供了一种固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法，该方法采用两个热电偶仪分别采集固相区和液相区温度信号，根据本发明所建立的分散模糊推理模块，可以同时反演获得固液相变材料内部导热系数和相变潜热。本发明可以利用固液相变材料容易测量的温度信息，同时获得不易直接测量的导热系数和相变潜热，并明显降低随机误差对测量结果的影响，为固液相变材料热物性参数测量提供一种有效的技术方案。
[0063]
如图1所示，本发明的固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量方法，其步骤包括：
[0064]
步骤s1：建立固液相变材料内部辐射导热耦合换热模型，给定材料导热系数和相变潜热的初始猜测值其中，为固相材料导热系数的初始猜测值，为液相材料导热系数的初始猜测值，l0为相变潜热的初始猜测值；
[0065]
步骤s2：在固液相变材料内部固相区和液相区分别布置一个热电偶，记录这两个测点在n个测量时刻的温度信息其中m＝1,2；n＝1,2,
…
,n；
[0066]
步骤s3：基于固液相变材料内部辐射导热耦合换热模型，计算两个测点位置随时间变化的温度其中m＝1,2；n＝1,2,
…
,n；
[0067]
步骤s4：根据两个测点温度的测量值和计算值建立固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量的输入信号e
m,n
，其中m＝1,2；n＝1,2,
…
,n；
[0068]
步骤s5：构建固液相变材料导热系数和相变潜热测量的模糊推理单元fiu，获得输入信号e
m,n
，作用下的推理结果d
m,n
，其中m＝1,2；n＝1,2,
…
,n；
[0069]
步骤s6：建立不同时刻、不同位置温度测量信息的综合加权机制，基于模糊推理单
元和综合加权系数构建分散模糊推理模块；
[0070]
步骤s7：根据分散模糊推理模块的输出结果更新导热系数和相变潜热步骤s7：根据分散模糊推理模块的输出结果更新导热系数和相变潜热检验迭代停止条件是否已经达到；如果满足停止条件，输出当前结果，否则，返回步骤s3对导热系数和相变潜热继续迭代更新。
[0071]
在具体应用实例中，所述步骤s1中的固液相变材料内部辐射导热耦合换热模型，包括材料内部的导热和辐射换热两种换热方式，采用如下能量方程描述该换热过程：
[0072][0073]
其中，ρ、c和λ分别表示固液相变材料的密度、比热容和导热系数，t和t分别表示温度和时间，l和f
l
分别表示材料的相变潜热和液相率，表示辐射换热热流密度的散度，根据下式获得：
[0074][0075]
其中，ω表示光传输方向，r表示空间位置，κ表示吸收系数，i表示辐射强度，通过求解下述辐射传递方程获得：
[0076][0077]
其中，ω
′
表示激光的入射方向，β和σs分别表示衰减系数和散射系数，φ表示散射相函数。
[0078]
在具体应用实例中，所述步骤s2中所述固液相变材料内部固相区和液相区分别布置一个热电偶，是指在固液相变材料的内部纵向1/4和3/4位置各布置一个热电偶，并利用图像采集装置(如高速摄像机)确定材料受热过程中两个热电偶测量位置的相态。
[0079]
在具体应用实例中，所述步骤s3中计算两个测点位置随时间变化的温度，是指通过数值求解辐射导热耦合换热问题获得。作为较佳实施例，本发明可以选择采用有限体积法和离散坐标法分别求解能量方程(1)和辐射传递方程(3)获得两个测点的温度；
[0080]
在具体应用实例中，所述步骤s4中所述固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量的输入信号e
m,n
建立如下：
[0081][0082]
在具体应用实例中，所述步骤s5中所述的模糊推理单元fiu，其主要作用是根据输入信号e
m,n
产生表面导热系数和相变潜热反演的广义补偿量d
m,n
；输入信号的模糊子集a
l
和输出信号的模糊子集b
l
分别为：
[0083]al
＝{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}
[0084]bl
＝{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0085]
其中，nb、nm、ns、ze、ps、pm和pb分别为“负大”、“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”和“正大”；
[0086]
模糊子集a
l
的论域为[-ri,ri]，模糊子集b
l
的论域为[-ro,ro]，采用等腰三角形函数确定模糊子集a
l
和b
l
的隶属度，如图2和图3所示。
[0087]
由模糊子集a
l
到模糊子集b
l
的模糊推理规则如表1所示，根据前述模糊子集a
l
和bl
、以及由a
l
到b
l
的推理规则，得到推理结果d
m,n
；
[0088]
表1模糊推理规则表
[0089][0090]
在具体应用实例中，所述步骤s6中所述的综合加权机制，是权衡不同位置、不同时刻的测量温度对于各反演参数的贡献率；在本发明中，当相变材料液相率达到25％(材料液化部分达到第一个热电偶位置)时，开始记录两个热电偶的测温数据，当相变材料液相率达到75％(材料液化部分达到第二个热电偶位置)时，停止记录两个热电偶的测温数据。
[0091]
其中，第一个热电偶的记录数据主要用于液相材料导热系数λ
l
的反演，第二个热电偶的记录数据主要用于固相材料导热系数λs的反演，两个热电偶的记录数据同时用于相变潜热l的反演；第i个测量时刻的温度对于λ
l
、λs和l反演的权重分别为：
[0092][0093][0094][0095]
其中，ψ表示测点温度对反演参数的敏感度，m表示测量时刻的个数。
[0096]
在具体应用实例中，步骤s7中所述的根据分散模糊推理模块的输出结果更新导热系数和相变潜热具体更新方式如下：
[0097][0098][0099]
lk＝l
k-1
α
1,id1,i
α
2,id2,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0100]
在具体应用实例中，所述步骤s7中所述的迭代停止条件，具体如下：
[0101][0102]
其中，ε是一个指定的测量精度。
[0103]
参见图4，本发明进一步提供一种固液相变材料导热系数和相变潜热同时测量系统，包括：
[0104]
激光头4，通过电缆2与激光控制器1相连并由激光控制器1控制；激光头4的输出端通过光纤耦合器5、传输光纤6与光纤准直器7相连；所述光纤准直器7朝向固液相变材料8；
[0105]
图像采集装置3，用来采集、确定材料受热过程中两个热电偶测量位置的相态；
[0106]
两个热电偶9，分别位于固液相变材料8内部固相区和液相区，用来记录这两个测点在多个测量时刻的温度信息；
[0107]
处理装置12，用来对图像采集装置3、两个热电偶9输入的信号进行处理，得到导热
系数和相变潜热。
[0108]
在具体应用实例中，固液相变材料8通过一夹具10固定于升降平台11上，通过升降平台11来实现夹具10及固液相变材料8的位置调整。
[0109]
本发明以一个具体应用为例，对本发明方法的实现做具体说明。
[0110]
固液相变材料的密度为ρ＝1800kg/m3，固相区和液相区的导热系数分别为λs＝0.5w/(m
·
k)和λ
l
＝0.3w/(m
·
k)，材料的相变潜热为l＝300kj/kg。
[0111]
采用本发明所述方法反演固液相变材料的导热系数和相变潜热，初始值设定为收敛精度为ε＝10-6
；反演结果为e＝[λs,λ
l
,l]
t
＝[0.5001,0.2998,300.0107]
t
，即固相相变材料的导热系数为0.5001w/(m
·
k)，液相相变材料的导热系数为0.2998w/(m
·
k)，材料的相变潜热为300.0107kj/kg。真实热物性参数和本发明测量结果对应的固液相变材料温度变化曲线如图5所示。
[0112]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。