水幕噴淋試驗(yàn)溫度場實(shí)時(shí)同步測量及分析方法

鄭軍林1，王振，李良才

(1.海裝駐武漢第二軍事代表室，武漢 430064；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

國內(nèi)針對(duì)水幕噴淋降溫及其在紅外隱身方面的應(yīng)用研究關(guān)注的重點(diǎn)是液膜換熱特性的規(guī)律及其模擬方法[1-3]，相關(guān)試驗(yàn)分析方法較少。實(shí)際上，水幕噴淋對(duì)目標(biāo)的覆蓋情況、溫度場分布及其實(shí)時(shí)變化等評(píng)估水幕效果更為直接的參數(shù)通常難以準(zhǔn)確模擬。通過鋼板模型噴水降溫試驗(yàn)進(jìn)行溫度測量是有效評(píng)估分析水幕噴淋的降溫性能，掌握水幕噴淋紅外隱身效果，優(yōu)化水幕設(shè)計(jì)方案的直接技術(shù)手段[4-6]。熱電偶和紅外熱成像均是發(fā)展較為成熟的測溫技術(shù)[7-8]，兩者各有優(yōu)勢(shì)，熱電偶測溫為接觸式測量，其測溫較為準(zhǔn)確，但是只能得到有限點(diǎn)的溫度，而紅外成像為非接觸測量，可以得到試驗(yàn)表面二維溫度場分布，其缺點(diǎn)是溫度測量存在較多影響因素，容易造成測量誤差[9-10]。若將兩者結(jié)合起來，通過同時(shí)同步測量，可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既保證測溫的精度，又能得到溫度場分布實(shí)時(shí)變化?；诖耍囟葘?shí)時(shí)同步測量系統(tǒng)，利用熱電偶和紅外熱像儀對(duì)試驗(yàn)鋼板非穩(wěn)態(tài)的表面溫度場進(jìn)行同步測量，并提出圖像重建比較分析方法和基于圖像處理的噴淋效果評(píng)估方法。

1 溫度場實(shí)時(shí)測量方法

1.1 溫度測量系統(tǒng)

溫度測量系統(tǒng)由熱電偶網(wǎng)絡(luò)溫度測量系統(tǒng)、紅外熱像測量系統(tǒng)以及環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)組成(見圖1)，其中若干個(gè)熱電偶貼覆在鋼板外表面上不同位置，組成溫度測量網(wǎng)絡(luò)，用來實(shí)時(shí)記錄鋼板溫度變化，紅外熱像儀用來記錄鋼板表面紅外熱像變化。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫度和紅外圖像實(shí)時(shí)同步測量。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)及溫度測量系統(tǒng)構(gòu)成

測量系統(tǒng)包含的儀器與設(shè)備具體如下。

1)銅-康銅熱電偶(T型熱電偶)：美國OMEGA貼膜式TC-TT-T-30+STM熱電偶；

2)Keithley Model 2700板卡和INTEST數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

3)紅外光譜發(fā)射計(jì)：ET10；

4)紅外熱像儀：FLUKE Ti32紅外熱像儀，熱靈敏度<0.05 ℃，溫度范圍-20 ℃至600 ℃，精度±-2%或2 ℃；FOV視場(寬×高)/最小焦距：23°×17°/15 cm，探測器類型:320×240焦平面陣列；

5)溫(濕)度計(jì)：HT-853，其濕度范圍為0%～100%RH，溫度范圍為-30～70 ℃，分辨率為0.1，精確度為±3%RH和±0.5 ℃;

6)風(fēng)速儀：testo 410-1測量空氣風(fēng)速，其量程為0.4～20 m/s，精度為±(0.2 m/s+2%測量值)，分辨率為0.1 m/s。

1.2 溫度場實(shí)時(shí)同步測量方法

采用實(shí)時(shí)同步測量的方法對(duì)噴淋試驗(yàn)中鋼板表面的降溫規(guī)律和紅外圖像特征進(jìn)行記錄，既可以得到實(shí)時(shí)的溫度變化曲線，又可以得到同一時(shí)刻外板表面真實(shí)溫度和紅外圖像，為綜合評(píng)價(jià)噴淋效果提供較為全面的數(shù)據(jù)。

1.2.1 儀器標(biāo)定

發(fā)射率儀和紅外熱像儀分別用鍍金標(biāo)準(zhǔn)板和標(biāo)準(zhǔn)黑體板進(jìn)行標(biāo)定。利用冰水混合物進(jìn)行熱電偶測溫穩(wěn)定性標(biāo)定，選取的10個(gè)電偶測得的穩(wěn)定溫度均在±0.25 ℃以內(nèi)，證明熱電偶穩(wěn)定可靠。

1.2.2 測量方法

采用等面積法將試驗(yàn)鋼板劃分為5×4的網(wǎng)格，按圖2進(jìn)行熱電偶測點(diǎn)布置，熱電偶之間的橫向和縱向間距為1 m。采用Keithley Model 2700板卡和INTEST數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)鋼板表面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)，記錄試驗(yàn)鋼板表面測點(diǎn)處溫度在曝曬和噴水降溫過程中隨時(shí)間的變化值。使用紅外熱像儀對(duì)鋼板表面進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集得到鋼板表面二維溫度圖像。

圖2 熱電偶測點(diǎn)布置示意圖

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 溫度圖像重建比較分析方法

通過紅外熱像儀得到的溫度是輻射溫度，物體表面的真實(shí)溫度與熱像儀測得的輻射溫度之間的關(guān)系如下[11]。

(1)

式中：T為目標(biāo)表面的真實(shí)溫度，K；Tr為輻射溫度，K；Ta為大氣溫度，K；Ta為目標(biāo)周圍的環(huán)境溫度，K；ε為目標(biāo)的紅外發(fā)射率；τa為大氣透過率；n對(duì)于指定的紅外探測器來說為常數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[14]選取。

熱像儀和熱電偶溫度計(jì)算對(duì)比見表1，從表1中可見，熱電偶得到的鋼板表面平均溫度比熱像儀得到的低約2 ℃。這是因?yàn)闊嵯駜x測得的溫度包含了環(huán)境反射增加能量的影響，所以目標(biāo)表面真實(shí)溫度(即熱電偶測得的溫度值)低于熱像儀測得的溫度。

表1 熱像儀和熱電偶溫度計(jì)算對(duì)比 ℃

為了得到更加準(zhǔn)確的鋼板溫度分布，采取以下方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。由熱像儀測得的鋼板表面某點(diǎn)的真實(shí)溫度Ti。由熱電偶測得網(wǎng)格點(diǎn)的溫度值為Tzi，則熱電偶和熱像儀測得的平均算術(shù)誤差Δ為

(2)

式中:n為熱點(diǎn)偶的總數(shù)。

根據(jù)鋼板模型上熱電偶測點(diǎn)的溫度測量值進(jìn)行圖像重建，基于MATLAB軟件利用布置位置對(duì)熱電偶得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到表面溫度數(shù)據(jù)。噴水前后同一時(shí)刻用熱像儀拍攝的溫度分布和通過熱電偶測點(diǎn)數(shù)據(jù)插值得到的溫度分布的對(duì)比見圖3、4，兩者吻合較好。通過溫度圖像重建方法得到的溫度場分布圖像融合熱像儀間接測量和熱電偶直接測量的數(shù)據(jù)，既能準(zhǔn)確反映鋼板模型表面的溫度，又能得到溫度場分布的云圖，可為準(zhǔn)確評(píng)估鋼板的降溫性能提供有效的方法。

圖3 噴水前板面溫度分布

圖4 噴水穩(wěn)定后板面溫度分布

2.2 水幕覆蓋率分析方法

對(duì)于艦船紅外隱身水幕來說，其性能好壞的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)是其在鋼板上形成連續(xù)水膜的覆蓋率，通過紅外熱像儀拍攝鋼板表面溫度的分布，可以直觀的得到某一時(shí)刻用的水膜實(shí)際覆蓋范圍，這比高速攝像機(jī)得到的圖像更能反映水幕水膜覆蓋的實(shí)際降溫效果。

圖5a)為噴水過程中某時(shí)刻拍攝的紅外熱像圖。利用MATLAB軟件進(jìn)行圖像邊緣提取處理和圖像增強(qiáng)，可以得到圖5b)所示灰度圖像。

圖5 噴水過程中的紅外熱像圖

可以清晰看出顯著降溫的區(qū)域以及水幕在不同區(qū)域降溫幅度明顯不同，可分為水幕覆蓋核心去和水幕覆蓋區(qū)。利用該方法可以精確計(jì)算得到水幕水膜覆蓋率。

3 噴淋效果分析

通過溫度圖像重建比較分析方法可以準(zhǔn)確得到鋼板表面任意一點(diǎn)的溫度變化曲線，噴淋開始后鋼板某點(diǎn)表面溫度隨時(shí)間的變化見圖6。

圖6 噴淋開始后不同時(shí)刻的溫度變化

從圖6中可以看出，噴淋開始后鋼板表面溫度快速降低，該點(diǎn)溫度在開啟噴淋后500 s降低了9.5 ℃。通過該曲線得到指定點(diǎn)降溫速率為1.14 ℃/min，此結(jié)果可用于支撐對(duì)噴淋響應(yīng)速度的分析。

利用水幕覆蓋率分析方法得到的不同供水壓力下水膜覆蓋率的變化見圖7。

圖7 不同供水壓力下水膜覆蓋率

從圖7可以看出，水幕噴淋降溫效果隨供水參數(shù)的變化規(guī)律，當(dāng)水壓達(dá)到0.5 MPa覆蓋率可達(dá)到85%以上。利用覆蓋率等參數(shù)可以量化的評(píng)估噴淋的效果，為噴淋裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

1)利用本文建立的熱電偶網(wǎng)絡(luò)和紅外熱像儀實(shí)時(shí)同步溫度測量及溫度圖像重建比較分析方法得到鋼板表面任一點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線，通過計(jì)算，其降溫速率為1.14 ℃/min，表明水幕噴淋可迅速降低鋼板模型表面的溫度。

2)通過水幕覆蓋率分析方法得到不同供水參數(shù)下水幕覆蓋能力，水壓越高覆蓋能力越強(qiáng)，因此，可根據(jù)具體指標(biāo)要求選擇合理設(shè)計(jì)水壓。

3)所建立的測量及分析方法能夠得到水幕噴淋對(duì)目標(biāo)的覆蓋情況、溫度場分布及實(shí)時(shí)變化等，對(duì)評(píng)估水幕噴淋效果可起到較好的支撐作用。