第十八章热传导反问题

第18章：热传导反问题本章导读Deform-3d中的Inverseheattransferwizard模块的目的是获得工件热传导区域的热传导系数函数。具体方法是一个被热电偶处理过的工件进行淬火处理或其他热处理，在热处理中把热电偶处理过的位置对应的时间-温度数据收集起来做成数据文件。基于初始猜测的热传导系数，DEFORM-3D将会运行一个淬火处理或其他热处理的仿真。最后DEFORM-3D最优化程序将会对比仿真出来的时间-温度数据与实验得到的时间温度数据，并且进行最优化运算直到达到一个最优值。预备知识热传导反问题是反问题中的重要一类，即通过给出物体表面热流以及对物体内部的一点或多点的温度观测值，反过来推倒物体的初始状态、流动状态、边界条件、内部热源和传热系数等。由于在实际工程中，材料的热传导特性以及边界条件、内部热源位置等往往是不知道的，他们很难测量得到甚至根本无法直接测量得到，从而以物体表面热流、部分内部点的温度测量值等温度信息为基础，借助一些反演分析方法进行辨识是解决这类问题的有效方法。在反问题中，将反演参数作为优化变量，测点温度计算值与测量值之间的残差作为优化目标函数，通过极小化目标函数进行仿真。热传导反问题（inverseheatconductionproblem,IHCP）是基础传热学研究的热点之一，在宇宙航天、原子能技术、机械工程以及冶金等与传热测量有关的工程领域中已获得了广泛的应用研究。下面我们就热传导反问题在某些领域的应用做一简要概述：1.无损探伤领域：对蒸汽管道、钢包等圆筒体进行疲劳分析时，需要知道内壁的温度等边界条件，但是内壁温度往往很难直接测得，而外壁温度可以直接测得，为此，人们可以通过外壁温度分布信息来反演内壁温度的分布的情况，进而得到内壁的几何形状，实现无损探伤的目的。2.宇宙航天领域：在引导航天器返回地面过程中，由于气动加热作用，航天器表面热流密度极高，甚至可能会影响到航天器的安全，但是其准确值无法直接测量，可以通过测量航天器内壁的某些温度信息来推算外壁的热流。(热流量是一定面积的物体两侧存在温差时，单位时间内由导热、对流、辐射方式通过该物体所传递的热量。)3.生物医学领域：由于人体生理过程发生局部破坏时会伴有身体组织热状态的某些改变，因此在医学上可以利用人体表面温度场的变化特征作为病情的依据，对人体生理过程发生破坏情况进行分析。4.冶金领域：在高炉炼钢过程中，由于钢水的高温作用，会不断复试炼钢炉内壁，当炼钢炉内壁腐蚀到一定程度时，就需要马上更换，如果更换不及时，可能会导致严重的安全生产事故，但是如果盲目的停产来检查，也会带来很大的成本支出，为此，希望通过测量外面的温度来反推炉壁的厚度，以保证安全生产及最低的成本支出。5.原子能技术领域：在核反应堆冷却装置中，由于链式反应产生了大量热能，需要用循环水（或其他物质）带走热量才能避免反应堆因过热烧毁，导出的热量可以使水变成水蒸气，推动汽轮机发点。人么可以通过测量循环水初始温度变化来反演核反应堆内部温度，以保证核设施的安全运行。通常将热传导反问题归为以下几种类型：1.反向热传导问题：初始条件的估算问题，通常为已知末端时刻温度分布来求初始时刻的温度分布问题。2.反边值问题：即边界条件的估算问题，通常为已知热导体可以接触的部分温度或者热流，来求不可接触部分的温度和热流。3.反系数问题：即热物性参数估算问题，当出现新材料作为导热介质时，由在边界上的过定数据来估算材料的导热系数、比热等。4.反边界问题：又称边界识别问题，即估算导热物体的几何形状通常用于确定热导体内的未知边界或裂缝等。5.反热源问题：或称为热源的识别问题，即通过边界条件、初始条件等估算热源位置。18.1问题建立问题概述：本问题将会阐述怎样利用InverseHeatTransferWizard来得到在热处理过程中与介质接触的工件表面热传导系数函数。为了反向分析，需要输入测得的时间-温度数据。不同待求表面的热传导系数将会被定义为温度或时间的函数。18.1.1建立一个新问题双击DEFORM-3D图标，进入DEFORM-3D主窗口，单击【NewProblem】按钮，选择【Inverheattransferwizard】。如图18-1所示。点击【Next】指定问题存储路径。点击【Next】，输入问题名称INVHEAT1，单击【Finish】完成新问题的建立。图18-1选择热传导反问题模块18.1.2设置单位在图18-2所示界面中选择English，点击【Next】。图18-2设置单位18.1.3输入几何体进入Geometry界面后，选择从文件输入几何体【Importfromageometry,.KEYor.DBfile】，如图18-3所示，单击【Next】按钮，导入安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS的BAR_INVHEAT.STL文件。导入的零件如图18-4所示。图18-3输入几何体图18-4几何体18.1.4生成网格在MeshGeneration界面中，设置网格数为2000，其他参数默认，点击【Next】按钮生成网格，如图18-5所示。图18-5网格参数18.1.5定义材料在Material界面中，选择【Loadformthemateriallibrary】，点击【Next】。如图18-6所示。图18-6导入材料在Steel类别里选择AISI-1015[70-2000F(20-1100C)]点击【Load】按钮，如图18-7所示。图18-7选择材料18.1.6设定起始温度在Initialtemperature界面中，Workpiece温度设置为均匀（Uniform）1575F，环境温度设置为恒定（Constant）150F，点击【Next】。如图18-8所示。图18-8初始化温度18.1.7定义测温点在TemperatureMeasurementPoints界面，点击三次按钮。输入这三个点的坐标分别为1.249、4.5、4.5；1.249、0、0.5；1.249、-4.9、2.5，点击【Apply】按钮，再点击【Next】按钮。如图18-9所示。图18-7设定测点18.1.8输入实验数据在ThermalHistoryData界面，点击【打开】按钮，在安装目录/SFTC/DEFORM/V10.2/3D/LABS中选择BAR_INVHEAT_Thermal_History,点击打开。Processstarttime输入0，Processendtime输入506秒。然后点击【Next】。如图18-10所示。图18-8导入数据文件18.1.9设置热传导区域在Heattransferzones界面中，点击两次，添加两个热传导区域，选中Zone#1，选择A、B面为第一个热传导区域.如图18-11所示。选中Zone#2，选择C面为第二个热传导区域。如图18-12所示。点击【Next】。图18-9设置热传导区域1图18-10设置热传导区域218.1.10热传导系数函数定义在Heattransfercoefficientfunctiondefinition（I）界面中，选择热传导系数为温度的函数。并以六个不同温度下的热传导系数定义该函数，勾选Initializefunctions，在本例中设定控制点数为6，温度分别为：100，400，700，1000，1300，1600F。其他均为默认值。点击【Next】如图18-13所示。图18-11热传导系数函数初始化1在Heattransfercoefficientdefinition(II)界面中，所有参数均保持默认，如图18-14所示。单击【Next】。图18-12热传导系数函数初始化218.1.11仿真控制在SimulationControl界面，选择Auto，其他参数保持默认。如图18-15所示。点击【Next】按钮。图18-13仿真控制18.1.12最优化控制在OptimizationControl界面中，所有设置保持默认，如图18-16所示。点击【Next】按钮。图18-14最优化控制18.1.13最优化运算在Optimization界面中，点击【CheckData】按钮，检查所有数据是否有效，如果有效则点击【Start】按钮开始运算。如图18-17所示。最优化运算速度根据计算机的不同而不同，一般为几个小时。最优化结束之后单击【Next】。如图18-18所示。图18-15最优化运算图18-16最优化结果18.2最优化结果在OptimizationResult界面中，可以得到最优化热传导系数，并且可以对比仿真得出的温度与实验温度。如图18-19、18-20所示。图18-19最优热传导系数图18-17仿真温度与实验温度优化过程的收敛性极大的取决于所使用数据的性质。例如，当某个测点在工件表面时，表明至少一个传热区域的每一个测点都收敛。类似的，当测量温度数据是时间的函数时，定义热传导系数是时间的函数将会获得更快的收敛速度。其他因素也会影响收敛性，温度数据的间隔精确地代表测点数据的梯度信息和良好的初始设定值。