一种运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法，目的是为测量EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）托卡马克装置低热负荷区域面对等离子体的部件内部零件间的接触热阻。本发明方法通过红外测温技术拍摄实验件外表面得到其温度随时间的演变过程，并基于有限元瞬态热分析方法对实验件的换热过程进行数值模拟，将不同接触热阻条件下的数值仿真结果与实验结果进行对比，两者结果大体相同时对应的接触热阻即为此部件内部接触热阻。本发明可以对具有冷却结构的部件内部零件间的接触热阻进行无损测量，提高了接触热阻测量的精度。
【专利说明】
一种运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法
技术领域
[0001]本发明涉及接触热阻无损测量方法领域，具体是一种运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法。
【背景技术】
[0002]EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)托卡马克装置低热负荷区域面对等离子体部件通常由石墨瓦和带有冷却结构的铬锆铜热沉等零件组成，两者之间采用螺栓连接。对于面对等离子体部件这类热端传热部件而言，精确了解其温度场对部件的安全性设计、可靠性分析与寿命评估等尤为重要。由于固体表面间接触不紧密造成的接触热阻存在于石墨瓦和热沉之间的接触面，该接触热阻是影响影响部件温度场的重要因素。接触热阻的过高估计会使得整个部件笨重且效率低下，而过低估计则可能给部件带来安全隐患。故而准确获得不同温度、压力等参数条件下石墨瓦与热沉之间的接触热阻，对于面向等离子体部件的实际工程设计非常必要。目前国内外对界面接触热阻测量方法最常用的是稳态法。在两接触样品上维持一定的温差，测量两样品轴向上的温度值，再由傅里叶定律外推至接触界面处从而得到界面上的温差(T1-T2);热流量(Q)可由热流量计测量或由样品材料的热导率和温度梯度计算得到，从而Rc= I T1-T21 /Q。该方法有几个显著的缺陷:需要较长的时间；对实验件会有所破坏(需要加工热电偶孔)，进而影响实验结果的准确性;试件的一维温度分布不可能是一条直线，这样外推就存在一定的困难。稳态法应用于实际工程设计时有较大的局限性。运用红外相机检测部件内部接触热阻是瞬态法的一种，目前采用的方法是通过红外相机对接触的两样品界面进行高速红外二维温度记录，再通过一维反问题求解拟合得到热流量，从而计算得到接触界面热传导系数。
【发明内容】
[0003]本发明是为了克服现有技术的不足之处，提供一种基于红外测温技术和有限元瞬态热分析方法的运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法，为面对等离子体部件这类热端传热部件的工程设计提供技术手段。
[0004]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0005]—种运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法，其特征在于:包括以下步骤:
[0006](1)、将具有冷却结构的实验件内部循环通入冷热水，并采用红外测温技术记录实验件外表面实时红外图像，记录其温度随时间的演变过程；
[0007](2)、基于有限元瞬态热分析方法对步骤(I)所述实验件的工况进行数值仿真，根据仿真结果得到实验件计算模型外表面温度随时间的演变过程，并且预设一个接触热阻的初始值；
[0008](3)、调整步骤(2)所述的接触热阻，得到不同接触热阻条件下实验件外表面温度的演变过程，将此仿真结果与步骤(I)记录的演变过程结果进行对比分析，两者结果相同时对应的接触热阻即为此实验件内部接触热阻。
[0009]本发明提出的方法不是通过拍摄接触界面，而是通过拍摄部件表面即可计算出接触热阻，不需要加工试验件，不仅可解决部件四周零件之间的接触热阻检测，同时对部件内部的零件之间的接触热阻可开展检测。
【附图说明】
[0010]图1为实验测试平台原理图。
[0011]图2为典型实验件内部冷却回路图。
[0012]图3为有限元瞬态热分析模型。
[0013]图4为测试与数值分析温度演变曲线比较图，其中:
[0014]图4a为不同接触热阻和实验条件下26号石墨瓦外表面最低温度随时间演变过程，图4b为不同接触热阻和实验条件下26号石墨瓦外表面最高温度随时间演变过程。
[0015]图5为450s，Rc= 2X10—3(m2.°C )W时，计算和测试得到的实验件外表面温度分布云图，其中:
[0016]图5a为有限元计算图，图5b为测试图。
[0017]图6为本发明流程图。
【具体实施方式】
[0018]如图6所示，一种运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法，包括以下步骤:
[0019](1)、将具有冷却结构的实验件内部循环通入冷热水，并采用红外测温技术记录实验件外表面实时红外图像，记录其温度随时间的演变过程；
[0020](2)、基于有限元瞬态热分析方法对步骤(I)实验件的工况进行数值仿真，根据仿真结果得到实验件计算模型外表面温度随时间的演变过程，并且预设一个接触热阻的初始值；
[0021](3)、调整步骤(2)所述的接触热阻，得到不同接触热阻条件下实验件外表面温度的演变过程，将此仿真结果与步骤(I)记录的演变过程结果进行对比分析，两者结果相同时对应的接触热阻即为此实验件内部接触热阻。
[0022]具体实施例:
[0023]首先，搭建EAST偏滤器部件传热性能测试平台，其原理图如图1所示。该平台主要分为冷水流路和热水流路，由冷热水箱(容积各3m3)、加热器(加热功率IlOkW)、冷水机(制冷功率34kW)、水栗(扬程7atm，流量3m3/h)、实验段、工控机、红外相机等设备构成。冷、热水由冷、热水栗抽取，旁路阀门和主路阀门用于调节流量，冷、热水路的电磁阀门用于实现实验件中冷(5°C)、热水(90°C)的快速(Is内)切换(切换过程可由工控机远程控制)ο进入实验件的冷、热水流量和温度由实验件之前的电磁流量计和温度传感器测量，并由工控机远程读取，实验件外表面温度随时间的演变过程由红外相机记录。冷、热水从实验段出来后，经由压力传感器测量出口压力，最后经由主路背压阀门后排出。
[0024]其次，针对部件传热性能开展实验，实验可分成实验准备阶段、实验进行阶段和实验结束阶段。
[0025](I)实验准备阶段(检查设备、启动电源、准备冷热水、安装实验件、调节流量):确认冷热水箱和管道等位置无明显破损。依次启动总开关、加热器开关、冷水机开关、水栗开关和信号控制开关。开启工控机和控制软件，确认软件正常运行。将冷热水箱注满水。启动冷水机组和热水加热器，将冷、热水箱内的水分别冷却和加热至5°C和90°C。将实验件安装在实验平台上，实验件冷却回路如图2所示。开启冷、热水栗，确认管道法兰以及实验件出、入水端的连接处无漏水。开启冷水栗，手动调节冷水主路和旁路阀门，使流量计指示稳定为2m3/h。关闭冷水栗，启动热水栗，手动调节热水主路阀门使流量计指示稳定为2m3/h。关闭热水栗。
[0026](2)实验进行阶段(红外相机测温、信号采集):安装红外相机并打开相关数据采集软件，调整红外相机与实验件的相对位置，使实验件位于红外相机视场正中。设置环境参数、数据存储路径和成像时间(600s)等参数。启动冷水栗和与之联动的冷水出口阀门，通过控制软件使得红外相机开始记录实验件外表面红外图像，采集一段时间(300s，主要使工件冷却到位)后，关闭冷水栗和冷水出口阀门，开启热水栗和与之联动的热水出口阀门，再次持续300s。
[0027](3)实验结束阶段(拆卸实验件，关闭设备、仪器，存放红外成像仪):启动冷水栗将实验件完全冷却后，关闭冷水栗和入水阀门，并拆卸实验件。关闭冷水出口阀门和出口总阀门，确认设备无损坏后关闭工控机电源(依次关闭信号控制开关、加热器、冷却器、水栗开关、总开关)。关闭红外相机电源，将其及实验件存放在安全位置。
[0028]然后，针对上述实验过程，基于有限元瞬态热分析方法对实验件的换热过程进行数值模拟，计算模型如图3所示(计算模型内部管壁面设定为对流换热系数边界，对流换热系数由迪贝斯-贝尔特公式获得，外表面为辐射换热边界)，得到实验件外表面温度随时间的演变过程，并通过改变石墨瓦与热沉之间接触热阻的设定值，得到若干接触热阻条件下的数值仿真结果。
[0029]最后，将不同接触热阻条件下的数值仿真结果与实验结果进行对比，以26号石墨瓦为例，如图4所示不同接触热阻和实验条件下26号石墨瓦外表面最低和最高温度随时间演变过程，由图可见，当接触热阻RC = 2X10—3(m2.°C)/W时最低温度两者大体相同，最高温度有所差距但随着时间的推移两者差距逐渐减小，其原因可能是石墨瓦外表面红外发射率不均匀导致的。图5表示4508，Ι^ = 2Χ10—3(m2.°C )/W时，实验和计算得到的实验件外表面温度分布云图，由图可见两者大体相同(4号石墨瓦两者差距较大，原因在于与其他石墨瓦相比，4号石墨瓦外表面粗糙度有所不同，这使得其红外发射率有所不同，进而使得红外相机测得温度偏差较大)。结合图4和图5，判断石墨瓦与铬锆铜热沉之间接触热阻为2 X 10—3(m2.。。)/1
【主权项】
1.一种运用红外相机检测部件内部接触热阻的无损检测方法，其特征在于:包括以下步骤: (I )、将具有冷却结构的实验件内部循环通入冷热水，并采用红外测温技术记录实验件外表面实时红外图像，记录其温度随时间的演变过程； (2)、基于有限元瞬态热分析方法对步骤(I)所述实验件的工况进行数值仿真，根据仿真结果得到实验件计算模型外表面温度随时间的演变过程，并且预设一个接触热阻的初始值； (3)、调整步骤(2)所述的接触热阻，得到不同接触热阻条件下实验件外表面温度的演变过程，将此仿真结果与步骤(I)记录的演变过程结果进行对比分析，两者结果相同时对应的接触热阻即为此实验件内部接触热阻。
【文档编号】G01J5/00GK105973929SQ201610154598
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】许铁军, 姚达毛, 刘常乐, 龚先祖, 韩乐, 仰振东, 刘严伟, 张斌
【申请人】中国科学院等离子体物理研究所