溫度作為七個(gè)基本物理量之一,是物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的宏觀體現(xiàn),而熱傳導(dǎo)在自然界中是無(wú)時(shí)無(wú)刻都在進(jìn)行的物理現(xiàn)象。導(dǎo)熱系數(shù)是熱傳導(dǎo)之中非常重要的一個(gè)物理參量,他表征著物體之間熱量傳遞的效率。能夠獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于建筑保溫、凍土地基等工程應(yīng)用中有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。紅外熱像儀能夠通過(guò)非接觸的方式快獲得材料變化的溫度信息,并且在此基礎(chǔ)上使用反演算法,加上被測(cè)目標(biāo)的邊界條件和初始條件就可以反演出物體的導(dǎo)熱系數(shù),這類問(wèn)題被稱為反問(wèn)題,由于其和傳熱學(xué)息息相關(guān),所以這一類的問(wèn)題被統(tǒng)稱為熱傳導(dǎo)反問(wèn)題。本文根據(jù)一維半無(wú)限大導(dǎo)熱模型,基于第二類邊界條件搭建了一套導(dǎo)熱系數(shù)反演正向發(fā)生平臺(tái)。用這套正向發(fā)生平臺(tái)可以生成導(dǎo)熱系數(shù)反演所需要的數(shù)據(jù),從而來(lái)檢驗(yàn)并且優(yōu)化正問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型,并且為利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演導(dǎo)熱系數(shù)提供輸入,從而能提供依據(jù)來(lái)檢驗(yàn)熱傳導(dǎo)反演算法。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建過(guò)程中,本文首先根據(jù)裝置的技術(shù)指標(biāo)以及導(dǎo)熱模型設(shè)計(jì)了裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu),使其能夠承載待測(cè)試樣。然后選擇了合適型號(hào)的電氣設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備如鉑電阻溫度計(jì)、熱源加熱功率、熱流傳感器等。選定使用不銹鋼304作為待測(cè)試樣來(lái)進(jìn)行測(cè)試。明確了下位機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行通信的通訊協(xié)議,并根據(jù)此使用MFC框架編寫了一個(gè)帶界面的能夠?qū)崟r(shí)顯示測(cè)量到的溫度,并且保存數(shù)據(jù)的上位機(jī)軟件并進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)試,獲得了實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)。接下來(lái)使用有限差分來(lái)計(jì)算基于第二類邊界的熱傳導(dǎo)方程,并且將計(jì)算得到的溫度場(chǎng)和正向發(fā)生平臺(tái)實(shí)際測(cè)量得到的溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)實(shí)際條件不斷優(yōu)化、調(diào)整數(shù)學(xué)模型,使之能最大可能性的和實(shí)際數(shù)據(jù)相符合,最后得到正問(wèn)題的計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差值小于等于8%。接下來(lái)用仿真的方法研究當(dāng)溫度數(shù)據(jù)存在誤差的時(shí)候,量子行為粒子群優(yōu)化算法(QPSO)的抗噪性。事實(shí)證明當(dāng)仿真數(shù)據(jù)存在±2%的誤差時(shí),反演出的導(dǎo)熱系數(shù)值誤差在3%之內(nèi)。然后將正向發(fā)生平臺(tái)生成的溫度數(shù)據(jù)帶到算法之中進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的反演,其誤差為10.5%。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O551.3
【部分圖文】：

能時(shí)對(duì)材料的導(dǎo)熱性能輩利用穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)的料、混合物和布標(biāo)通過(guò)態(tài)導(dǎo)熱模型以被簡(jiǎn)化看作是一維問(wèn)，我們就假設(shè)熱量只在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，物體的溫，在實(shí)際的生產(chǎn)生活之傳導(dǎo)的研究是熱量在物一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的常，一種如圖 - 所示的的正方向上，以及 ? 軸平面為界限，在其他五

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文傳遞到另外一側(cè)，物體內(nèi)部尚且存在溫度梯度的時(shí)候，我們通過(guò)半無(wú)限大導(dǎo)熱模型來(lái)分析解決這個(gè)問(wèn)題。但是事實(shí)上，熱量只在 x 軸上有傳遞，而在 y 軸和 z 軸上沒(méi)有任何熱量的交換與傳遞是不可能的，而且越接近這個(gè)“無(wú)限大”平面邊緣的地方，熱傳遞和熱交換就會(huì)越顯得頻繁。因此，我們只能盡量避免讓這個(gè)半無(wú)限大的平面在 y 軸和 z軸的正負(fù)兩個(gè)方向盡量延伸，盡可能的大，來(lái)盡量避免熱傳導(dǎo)和熱交換在側(cè)面的影響。在這種情況下，我們認(rèn)定，材料中間的部分仍然是滿足單一方向?qū)釛l件的。如圖（ - ）所示：

通過(guò)以上四類條件，熱傳導(dǎo)正問(wèn)題就可以計(jì)算出物體內(nèi)部的溫度場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的溫度變化規(guī)律。而正問(wèn)題的對(duì)立面——熱傳導(dǎo)反問(wèn)題則是在已知試樣的溫度分布情況下來(lái)預(yù)測(cè)并驗(yàn)證上述已知條件中的未知量。在測(cè)量物體溫度的過(guò)程中，由于環(huán)境因素及硬件本身的精度，溫度數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生噪聲，這些噪聲會(huì)降低反問(wèn)題求解時(shí)候的精度，所以選擇抗噪性好的反演算法是熱傳導(dǎo)反問(wèn)題的難點(diǎn)之一。通常求解熱傳導(dǎo)反問(wèn)題的時(shí)候通常是采用最小二乘法來(lái)將反問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求最優(yōu)解的問(wèn)題]。例如設(shè)定 （ ,τ）為測(cè)量之后得到的溫度場(chǎng)信息，而U(v, ,τ)為正問(wèn)題求解而得到的溫度信息場(chǎng)，其中參數(shù) v 是待求未知量。此最小二乘插值函數(shù)定義如下：( ) ( ) ( )21 1; , ,N Ti mea iiJ v u v x u x ( - )選用反演算法優(yōu)化未知數(shù) v 的值，使 J 的值小于一定的誤差，此時(shí)，反演算法所計(jì)算出來(lái)的值 v，就可以近似看作我們要求解的值。針對(duì)于熱傳導(dǎo)反問(wèn)題的優(yōu)化算法按照算法特性可以分為確定性算法和隨機(jī)性算法，其中常用的反演算法如圖（ - ）所示。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2838627