一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法

技术特征：
1.一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法，其特征在于，如下步骤：待测量的直圆管内流速为细长均匀直圆管内沿横截面的平均流速，以细长均匀直圆管的圆心为极点建立极坐标系，长度方向为z轴，半径方向为r轴，角度方向为θ轴，细长均匀直圆管的内、外半径分别为r
i
和r
o
均远小于特征长度l；向所述的细长均匀直圆管(1)中通入恒定流量的流体，将细长均匀直圆管的任意位置记为a处并取为坐标原点z＝0，使用加热器(2)周期性输入热量q(t)，则热量q(t)在管壁和管内液体中的传递过程满足能量方程其中，t(r，θ，z，t)为温度；ρ为物质密度；c为物质比热容；t为时间；u为热弥散流速；κ为物质导热系数；热量q(t)和温度t(r，θ，z，t)满足式中，t0为加热器工作之前管内液体的初始温度；热弥散流速u满足式中，为管内液体流动的平均流速；沿直圆管横截面向的平均温度定义为满足热弥散方程其中其中上式中，且且且其中，b满足
边界条件为设管壁材料的密度ρ
w
、比热容c
w
、导热系数κ
w
均为常数，液体的密度ρ
f
、比热容c
f
、导热系数κ
f
亦均为常数，则由方程(6)-(14)可推得方程(5)中的热弥散平均流速满足其中其中方程(5)中满足其中，且且且且设加热器(2)在细长均匀直圆管(1)的a处输入周期变化的热量q(t)时，a处的截面平均温度为则方程(5)的边界条件为则方程(5)的边界条件为在加热区域沿细长均匀直圆管长度方向上，使用红外热成像系统同步测量连续位置的截面平均温度随时间变化的波形；其中沿管长方向的空间离散步长为δz，时间采样步长为δt，则k时刻z
i
处的截面平均温度可表示为其中i＝1，2，3
…
n
z
1，k＝1，2，3
…
n
t
1；使用有限差分方法将方程(5)近似为：
则可以构造如下的目标函数求解管道截面平均流速：则可以构造如下的目标函数求解管道截面平均流速：其中是目标函数，ω是约束条件；设置优化参数，代入截面平均温度的时空分布数值其中i＝1，2，3
…
n
z
1，；使用优化算法在约束条件下对目标函数进行优化求解，得到最优解，即为t
k
时刻的截面平均速度同理，重复设置优化参数，重复进行优化过程，代入不同时刻的截面平均温度分布数值即可得到不同时刻的截面平均速度2.根据权利要求1所述的一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法，其特征在于：构建深度神经网络，通过直圆管内温度的时空分布直接计算的直圆管截面平均速度；所使用的人工神经网络为深度前馈网络，包括输入层、隐藏层与输出层；神经网络的输入为两个连续时刻的直圆管温度分布；输出为对应时刻的截面平均流速；采用全连接的方式连接输入层与输出层，输入层与输出层之间的网络被称为隐藏层，表示为z
l
，l＝1，2，3，
…
，l，实际使用的隐藏层的规模需根据所采样的温度分布情况决定；两个相邻层之间连接如下：z
l
＝σ
l
(w
l
·
z
l-1
b
l
)，
ꢀꢀꢀꢀ
(28)其中σ
l
为第l层激活函数，w
l
表示l层的神经网络权重向量，b
l
表示l层的偏差值；神经网络的预测结果表示为l层的输出，即：其中，表示神经网络预测的直圆管截面平均速度；构建神经网络的损失函数；损失函数除了包含神经网络预测值与真实值的差异之外，还可以将上述推导的热弥散方程(5)作为惩罚项加入损失函数中，使之具有物理条件约束；因此，损失函数l(w，b)定义如下：最后，使用上述损失函数和所构建的数据集对该神经网络进行训练，最终，完成训练，得到神经网络的权重参数，即可通过向训练完成的神经网络输入温度的时空分布数据直接得到管道截面平均速度。3.根据权利要求1所述的一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法，其特征在于：所述的方法通过使用加热器无创地向细长均匀直圆管中周期性地输入动态变化的热量，使加热区域的流体温度产生周期性变化；同时，在加热区域沿细长均匀直圆管长度方向上，使用热成像技术无创地同步测量沿管长方向截面平均温度的时空分布变化；基于直圆管流场中的动态热弥散效应，通过直圆管截面平均温度的时空分布直接反演直圆管横截面上的平均流速。

技术总结
本发明提供了一种基于热弥散原理确定细长均匀直圆管中定常流截面平均流速的方法，属于流速测量技术领域。本发明利用加热器在圆管任意位置输入动态变化的热量，在加热区域沿细长均匀直圆管长度方向上，使用热成像技术无创地同步测量沿管长方向截面平均温度的时空分布变化。基于流体力学和热传递原理得到描述细长均匀直圆管长度方向上截面平均温度与管内截面平均流速之间定量关系的热弥散方程。并基于该方程建立目标函数，通过优化方法中最小化目标函数的思想，求解细长均匀直圆管内流体沿横截面的平均速度。进一步，建立深度神经网络方法，实现基于测量区域的时空温度分布快速求解圆管截面平均流速。解圆管截面平均流速。解圆管截面平均流速。


技术研发人员：覃开蓉 曾效 陈柯洁 李泳江 薛春东
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2022.03.11
技术公布日：2022/6/10