基于分散模糊推理机制的固液相变材料表面热流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，特指一种基于分散模糊推理机制的固液相变材料表面热流测量方法及系统。


背景技术：

2.作为储能材料，固液相变材料具有很高的潜热，可以吸收大量热量而保持温度不变，因而可以用于太阳能储能、建筑节能等工程领域，用以解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。
3.固液相变材料表面的入射热流是储能和节能应用的关键参数，其准确测量对于系统的优化设计和调控至关重要。然而，实际入射到固液相变材料表面的热流密度难以直接测量。
4.有从业者提出了中国专利申请“测试相变材料导热系数的方法，cn201910622016.9”，该方案提供了一种测试相变材料导热系数的方法，该方法包括将将相变材料试样放置于热板和冷板之间；将冷板的温度调节至第一预设温度，热板的温度调节至起始温度；针对所述热板，在达到稳定状态后，多次采集该热板的温度和表面热流，对所述温度和所述热流取平均值，得到温度平均值和热流平均值；调节所述热板的温度从所述起始温度至终止温度，每隔第二预设温度获取一次所述温度平均值和所述热流平均值；根据多个所述温度平均值和多个所述热流平均值，最终得到所述相变材料的导热系数。
5.另有从业者提出了中国专利申请“一种相变材料热物性测量方法，cn201810573440.4”，该方案提供了一种相变材料热物性测量方法，建立相变材料一维恒热流熔化过程理论分析模型，获取相变材料样品在恒定热流加热条件下的升温和熔化过程中的温度响应曲线，并利用理论分析模型计算得到相变材料的热物性质，
6.还有从业者在论文《相变材料及梯级系统传热储热特性的理论与实验研究》中提出采用数值模拟于实验研究的方法对高效相变储热技术进行了研究与探讨，基于相场法建立了可考虑过冷(或过热)效应的固液相变数学模型，探讨了动力学系数与过冷效应之间的关系。基于相场法模型和多孔介质的流动与传热理论,进一步建立了表征体元尺度下开孔金属泡沫内固液相变的数学模型，研究了瑞利数、金属泡沫形貌参数对相变材料熔化和凝固过程的影响,得到了熔化与凝固过程中相场、流场和温度场的演变规律。
7.但是上述所有的传统测量技术均存在误差大、使用不便等问题。
8.因此，发展准确、高效、便捷的固液相变材料表面热流测量方法，对于提高新能源利用、降低二氧化碳排放具有重要意义。


技术实现要素：

9.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、易实现、操作简便、测量精度高的基于分散模糊推理机制的固液相变材料表面
热流测量方法。
10.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
11.一种基于分散模糊推理机制的固液相变材料表面热流测量方法，其包括：
12.步骤s1：建立固液相变材料内部辐射导热耦合换热模型，给定材料表面热流分布的初始猜测值；
13.步骤s2：在固液相变材料表面选择m个温度测点，利用红外热像仪记录这m个测点在n个测量时刻的温度信息m、n为自然数；
14.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m个测点位置随时间变化的温度
15.步骤s4：根据m个测点温度的测量值和计算值建立固液相变材料表面热流测量的输入信号e
m,n
(m＝1,2,
…
,m；n＝1,2,
…
,n)；
16.步骤s5：构建固液相变材料表面热流测量的模糊推理单元fiu，获得输入信号e
m,n
(m＝1,2,
…
,m；n＝1,2,
…
,n)作用下的推理结果：
17.d
m,n
(m＝1,2,
…
,m；n＝1,2,
…
,n)；
18.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；
19.步骤s7：根据分散模糊推理模块的输出结果更新热流分布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对热流分布继续迭代更新。
20.作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s1中所述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传热形式，用能量方程描述该传热过程：
[0021][0022]
其中，ρ、c和λ分别表示密度、比热容和导热系数，t和t分别表示温度和时间，和f
l
分别表示相变潜热和液相率，表示辐射换热热流密度的散度，根据下式获得：
[0023][0024]
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：
[0025][0026]
其中，ω
′
表示外部入射光方向，β和σs分别表示衰减系数和散射系数，φ表示散射相函数。
[0027]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s1中所述表面热流分布的初始猜测值，包括ni个待测量点和nj个待测量时刻热流值，初始值可设定为均匀分布的热流，即
i＝1,2,
…
,ni；j＝1,2,
…
,nj。
[0028]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s2中，在材料表面均匀选取与热流测量数量一致的m个温度测定。
[0029]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s3中，计算m个测点的温度是指通过数值求解辐射导热耦合换热问题获得。
[0030]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s4中所述的固液相变材料表面热流测量的输入信号e
m,n
建立如下：
[0031]
m＝1,2,
…
,m；n＝1,2,
…
,n。
[0032]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s5中所述模糊推理单元是将根据输入信号e
m,n
产生表面热流重建的广义补偿量d
m,n
；
[0033]
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：
[0034]al
＝{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}
[0035]bl
＝{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}
[0036]
其中，作为优选方案，可以根据实际需要定义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”。
[0037]
作为本发明方法的进一步改进：所述模糊子集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
的隶属函数；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
。
[0038]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s6中，所述综合加权机制是权衡不同测点的温度对于各热流测量位置的贡献率，第m个测点、第n个测量时刻的温度对第i个重建位置、第j个重建时刻热流的权重为：
[0039][0040]
其中，ψ
qi,j
(t
m,n
)为第i个重建位置、第j个重建时刻热流对第m个测点、第n个测量时刻温度的敏感度。
[0041]
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热流分布，具体更新方式如下：
[0042][0043]
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s7中，所述迭代停止条件，具体如下：
[0044][0045]
其中，ε是一个指定的测量精度。
[0046]
本发明进一步提供一种基于分散模糊推理机制的固液相变材料表面热流测量系统，其包括：
[0047]
红外热像仪，用来检测固液相变材料表面的温度信号；
[0048]
处理系统，通过光纤与红外热像仪相连，用来接收红外热像仪采集的温度信号，并
依据固液相变材料表面的温度信号进行分析，得到固液相变材料的表面热流。
[0049]
作为本发明系统的进一步改进：所述固液相变材料通过夹具安装在一固定位置。
[0050]
作为本发明系统的进一步改进：所述夹具安装于一升降平台上，所述固液相变材料通过升降平台来调整在竖直方向上的位置。
[0051]
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
[0052]
1、本发明的一种基于分散模糊推理机制的固液相变材料表面热流测量方法及系统，利用红外热像仪采集材料表面温度信号，基于分散模糊推理模块产生热流的广义补偿量，重建获得材料表面随时间和空间变化的热流分布。本发明对固液相变材料的种类和相变温度没有限制，对于促进新能源利用、提高太阳能利用效率、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。
[0053]
2、本发明的一种基于分散模糊推理机制的固液相变材料表面热流测量方法及系统，采用红外热像仪采集材料表面温度信号，根据本发明所建立的分散模糊推理模块，重建获得固液相变材料表面随时间和空间变化的热流分布。本发明可以利用固液相变材料表面的容易测量的温度信息，重建得到不易直接测量的瞬态热流，并明显降低随机误差对测量结果的影响，为固液相变材料表面热流测量提供一种有效的技术方案。
附图说明
[0054]
图1是本发明方法的流程示意图。
[0055]
图2是本发明在具体应用实例中模糊子集a
l
的隶属度函数曲线示意图。
[0056]
图3是本发明在具体应用实例中模糊子集b
l
的隶属度函数曲线示意图。
[0057]
图4是本发明测量系统的框架原理示意图。
[0058]
图5是本发明在具体应用实例中固液相变材料表面真实入射热流分布示意图。
[0059]
图6是在具体应用实例中利用本发明技术测量获得的固液相变材料表面热流分布示意图。
[0060]
图7是在具体应用实例中利用本发明技术测量固液相变材料表面热流的误差分布示意图。
[0061]
图例说明：
[0062]
1、红外热像仪；2、固液相变材料；3、夹具；4、升降平台；5、光纤；6、电脑处理系统。
具体实施方式
[0063]
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。
[0064]
如图1所示，本发明的一种基于分散模糊推理机制的固液相变材料表面热流测量方法，包括：
[0065]
步骤s1：建立固液相变材料内部辐射导热耦合换热模型，给定材料表面热流分布的初始猜测值；
[0066]
步骤s2：在固液相变材料表面选择m个温度测点，利用红外热像仪记录这m个测点在n个测量时刻的温度信息m、n为自然数；
[0067]
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m个测点位置随时间
变化的温度
[0068]
步骤s4：根据m个测点温度的测量值和计算值建立固液相变材料表面热流测量的输入信号e
m,n
(m＝1,2,
…
,m；n＝1,2,
…
,n)；
[0069]
步骤s5：构建固液相变材料表面热流测量的模糊推理单元fiu，获得输入信号e
m,n
(m＝1,2,
…
,m；n＝1,2,
…
,n)作用下的推理结果：
[0070]dm,n
(m＝1,2,
…
,m；n＝1,2,
…
,n)；
[0071]
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；
[0072]
步骤s7：根据分散模糊推理模块的输出结果更新热流分布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对热流分布继续迭代更新。
[0073]
在具体应用实例中，所述步骤s1中所述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传热形式，可采用如下能量方程描述该传热过程：
[0074][0075]
其中，ρ、c和λ分别表示密度、比热容和导热系数，t和t分别表示温度和时间，和f
l
分别表示相变潜热和液相率，表示辐射换热热流密度的散度，根据下式获得：
[0076][0077]
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：
[0078][0079]
其中，ω
′
表示外部入射光方向，β和σs分别表示衰减系数和散射系数，φ表示散射相函数。
[0080]
在具体应用实例中，所述步骤s1中所述的表面热流分布的初始猜测值，包括ni个待测量点和nj个待测量时刻热流值，初始值可设定为均匀分布的热流，即i＝1,2,
…
,ni；j＝1,2,
…
,nj.
[0081]
在具体应用实例中，所述步骤s2中所述的在固液相变材料表面选择m个温度测点，可根据热流测量需求，在材料表面均匀选取与热流测量数量一致的m个温度测定。
[0082]
在具体应用实例中，所述步骤s3中所述的计算m个测点的温度，是指通过数值求解辐射导热耦合换热问题获得，本发明采用有限体积法和离散坐标法分别求解上述能量方程(1)和上述辐射传递方程(3)获得m个测点的温度；
[0083]
在具体应用实例中，所述步骤s4中所述的固液相变材料表面热流测量的输入信号e
m,n
建立如下：
[0084][0085]
在具体应用实例中，所述步骤s5中所述的模糊推理单元，是将根据输入信号e
m,n
产生表面热流重建的广义补偿量d
m,n
；
[0086]
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：
[0087][0088]
其中，作为优选方案，可以根据实际需要定义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”；
[0089]
在上述过程中，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
的隶属函数如图2和图3所示，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b
l
、以及由a
l
到b
l
的推理规则，得到推理结果d
m,n
；
[0090]
在具体应用实例中，所述步骤s6中所述的综合加权机制，是权衡不同测点的温度对于各热流测量位置的贡献率，第m个测点、第n个测量时刻的温度对第i个重建位置、第j个重建时刻热流的权重为：
[0091][0092]
其中，ψ
qi,j
(t
m,n
)为第i个重建位置、第j个重建时刻热流对第m个测点、第n个测量时刻温度的敏感度；
[0093]
在具体应用实例中，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热流分布，具体更新方式如下：
[0094][0095]
作为较佳实施例，所述步骤s7中所述的迭代停止条件，具体如下：
[0096][0097]
其中，ε是一个指定的测量精度。
[0098]
本发明进一步提供一种基于分散模糊推理机制的固液相变材料表面热流测量系统，其包括：
[0099]
红外热像仪1，用来检测固液相变材料2表面的温度信号；
[0100]
处理系统6，通过光纤5与红外热像仪1相连，用来接收红外热像仪采集的温度信号，并依据固液相变材料2表面的温度信号进行分析，得到固液相变材料2的表面热流。
[0101]
在具体应用实例中，固液相变材料2通过夹具3安装在一固定位置。
[0102]
作为较佳实施例，夹具3安装于一升降平台4上，固液相变材料2通过升降平台4来调整在竖直方向上的位置。
[0103]
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。
[0104]
固液相变材料的密度为ρ＝1000kg/m3，固相区、糊状区和液相区的导热系数分别
为λs＝10w/(m
·
k)、λm＝7.6w/(m
·
k)和λ
l
＝6w/(m
·
k)，固相区、糊状区和液相区的比热容分别为cs＝1000j/(kg
·
k)、cm＝1120j/(kg
·
k)和c
l
＝1200j/(kg
·
k)，固/糊界面温度为ts＝60℃，液/糊界面的温度为t
l
＝100℃，相变潜热为考虑随时间和空间变化的入射热流，真实分布如图5所示；
[0105]
采用本发明所述方法重建材料表面热流分布，初始值设定为收敛精度为ε＝10-6
；热流测量结果如图6所示，对应的测量误差分布如图7所示，最大测量误差小于0.1％。
[0106]
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。