水幕噴淋試驗溫度場實時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.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

國內針對水幕噴淋降溫及其在紅外隱身方面的應用研究關注的重點是液膜換熱特性的規律及其模擬方法[1-3]，相關試驗分析方法較少。實際上，水幕噴淋對目標的覆蓋情況、溫度場分布及其實時變化等評估水幕效果更為直接的參數通常難以準確模擬。通過鋼板模型噴水降溫試驗進行溫度測量是有效評估分析水幕噴淋的降溫性能，掌握水幕噴淋紅外隱身效果，優化水幕設計方案的直接技術手段[4-6]。熱電偶和紅外熱成像均是發展較為成熟的測溫技術[7-8]，兩者各有優勢，熱電偶測溫為接觸式測量，其測溫較為準確，但是只能得到有限點的溫度，而紅外成像為非接觸測量，可以得到試驗表面二維溫度場分布，其缺點是溫度測量存在較多影響因素，容易造成測量誤差[9-10]。若將兩者結合起來，通過同時同步測量，可以優勢互補，既保證測溫的精度，又能得到溫度場分布實時變化。基于此，建立溫度實時同步測量系統，利用熱電偶和紅外熱像儀對試驗鋼板非穩態的表面溫度場進行同步測量，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估方法。

1 溫度場實時測量方法

1.1 溫度測量系統

溫度測量系統由熱電偶網絡溫度測量系統、紅外熱像測量系統以及環境參數測量系統組成(見圖1)，其中若干個熱電偶貼覆在鋼板外表面上不同位置，組成溫度測量網絡，用來實時記錄鋼板溫度變化，紅外熱像儀用來記錄鋼板表面紅外熱像變化。該系統可實現溫度和紅外圖像實時同步測量。

圖1 試驗平臺及溫度測量系統構成

測量系統包含的儀器與設備具體如下。

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數據采集系統；

3)紅外光譜發射計：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：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)風速儀：testo 410-1測量空氣風速，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 溫度場實時同步測量方法

采用實時同步測量的方法對噴淋試驗中鋼板表面的降溫規律和紅外圖像特征進行記錄，既可以得到實時的溫度變化曲線，又可以得到同一時刻外板表面真實溫度和紅外圖像，為綜合評價噴淋效果提供較為全面的數據。

1.2.1 儀器標定

發射率儀和紅外熱像儀分別用鍍金標準板和標準黑體板進行標定。利用冰水混合物進行熱電偶測溫穩定性標定，選取的10個電偶測得的穩定溫度均在±0.25 ℃以內，證明熱電偶穩定可靠。

1.2.2 測量方法

采用等面積法將試驗鋼板劃分為5×4的網格，按圖2進行熱電偶測點布置，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數據采集系統實時對鋼板表面溫度數據進行讀取和存儲，記錄試驗鋼板表面測點處溫度在曝曬和噴水降溫過程中隨時間的變化值。使用紅外熱像儀對鋼板表面進行溫度實時監控，采集得到鋼板表面二維溫度圖像。

圖2 熱電偶測點布置示意圖

2 數據分析方法

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，物體表面的真實溫度與熱像儀測得的輻射溫度之間的關系如下[11]。

(1)

式中：T為目標表面的真實溫度，K；Tr為輻射溫度，K；Ta為大氣溫度，K；Ta為目標周圍的環境溫度，K；ε為目標的紅外發射率；τa為大氣透過率；n對于指定的紅外探測器來說為常數，根據文獻[14]選取。

熱像儀和熱電偶溫度計算對比見表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 ℃。這是因為熱像儀測得的溫度包含了環境反射增加能量的影響，所以目標表面真實溫度(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算對比 ℃

為了得到更加準確的鋼板溫度分布，采取以下方法對結果進行修正。由熱像儀測得的鋼板表面某點的真實溫度Ti。由熱電偶測得網格點的溫度值為Tzi，則熱電偶和熱像儀測得的平均算術誤差Δ為

(2)

式中:n為熱點偶的總數。

根據鋼板模型上熱電偶測點的溫度測量值進行圖像重建，基于MATLAB軟件利用布置位置對熱電偶得到的數據進行插值，得到表面溫度數據。噴水前后同一時刻用熱像儀拍攝的溫度分布和通過熱電偶測點數據插值得到的溫度分布的對比見圖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據，既能準確反映鋼板模型表面的溫度，又能得到溫度場分布的云圖，可為準確評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 噴水穩定后板面溫度分布

2.2 水幕覆蓋率分析方法

對于艦船紅外隱身水幕來說，其性能好壞的一個重要評價指標是其在鋼板上形成連續水膜的覆蓋率，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刻用的水膜實際覆蓋范圍，這比高速攝像機得到的圖像更能反映水幕水膜覆蓋的實際降溫效果。

圖5a)為噴水過程中某時刻拍攝的紅外熱像圖。利用MATLAB軟件進行圖像邊緣提取處理和圖像增強，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域以及水幕在不同區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。利用該方法可以精確計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確得到鋼板表面任意一點的溫度變化曲線，噴淋開始后鋼板某點表面溫度隨時間的變化見圖6。

圖6 噴淋開始后不同時刻的溫度變化

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降溫速率為1.14 ℃/min，此結果可用于支撐對噴淋響應速度的分析。

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的變化規律，當水壓達到0.5 MPa覆蓋率可達到85%以上。利用覆蓋率等參數可以量化的評估噴淋的效果，為噴淋裝置的設計和優化提供數據支撐。

4 結論

1)利用本文建立的熱電偶網絡和紅外熱像儀實時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溫度隨時間變化的曲線，通過計算，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下水幕覆蓋能力，水壓越高覆蓋能力越強，因此，可根據具體指標要求選擇合理設計水壓。

3)所建立的測量及分析方法能夠得到水幕噴淋對目標的覆蓋情況、溫度場分布及實時變化等，對評估水幕噴淋效果可起到較好的支撐作用。