一种物体内热源分布重构系统及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及传热学技术领域，特别是涉及一种物体内热源分布重构的系统及方 法。
【背景技术】
[0002] 在热工程应用领域，物体内部的热源状态，亦或物体内部某部件或部分的热状态 对于掌握和了解其运行情况是十分重要的。基于外部测温的内部热源参数识别在实际生产 及日常生活中有着广泛的应用，比如一些长期固定的具有内热源的物质，如水力发电大坝 内的发电机组，核废料，煤炭和粮食等，一旦其内部出现运转问题或者保存不当，就会产生 发热现象。很多情况下，物体的内部测温往往十分困难甚至无法实现，因此仅仅依靠物体表 面的温度分布数据就能准确快速确定其内部发热位置和温度的方法，在热工程应用领域有 着十分重要的现实意义。
[0003] 基于红外无损检测的内热源缺陷的识别一直是许多研究者关注的热点。目前见诸 于报道的方法主要有共辄梯度法，边界元法，有限元法有限体积法等，利用这些方法对物体 内部热源的几何分布及热源强度的反演有一定优势，但始终面临三个无法解决的问题：1、 只能对点热源或球形热源进行反演，如果热源形状有所变化，反演的结果不甚理想;2、对物 体外形的要求十分严格，比如边界元法，往往只有外形规则的物体才能反演出较好的结果； 3、对边界条件的处理极为苛刻。上述三点严重阻碍了这些方法在实际热工程当中的应用， 因为对于实际的物体，比如机械机组，核废料，粮食堆，甚至如人体的某部位或器官等，其内 部热源和外部形状往往是不规则的，有些边界数据也难以获得。
[0004] 本发明基于智能全局优化算法，如遗传算法、模拟退火算法，粒子群算法等，以及 这些算法的改进算法，通过构件一种实用有效的目标函数，突破了传统方法对物体内部热 源以及外部形状的限制，降低了对边界条件的处理要求，提高了物体内热源分布重构的效 率，具有广泛的实际应用价值。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种物体内热源分布重构系统及方法，对于物体内热源分布的重构效 率高，速度快，易于操作，在诸如钢铁、水泥、陶瓷、微生物发酵、能源、医学工程、航空航天等 行业领域中都有重要的应用前景。
[0006] 本发明是以如下技术来实现物体内热源分布重构的：
[0007] 优选的，采用高精度非致冷式红外热像仪获取物体一个表面的温度，并在该表面 的红外热图中等距离提取有限个点的实际温度值；
[0008] 进一步地，在红外热图中等距离取点的方法为：在红外热图表面作十字形（或圆 形、正方形等)线条，在线条上等距离取点，提取相应点的实际温度值；
[0009] 进一步地，在作等距点提取的辅助图形时，如十字形(或圆形、正方形等），其中心 位置应当尽量靠近红外热图的最高温区域，这样使图形线条的分布尽量反映该表面红外热 图的温度分布特征；
[0010]基于智能全局优化算法，以内热源的温度和位置为优化变量，通过适应度函数对 优化样本进行迭代计算，优化的步长设置依据具体问题的优化精度和优化效率来设定。在 一个优化样本下，采用有限元法计算得到该样本下物体表面温度分布的理论值；
[0011] 对应于红外热图中所选取的等距点，相应地提取这些点的理论温度值；
[0012] 提取每个等距点的实际温度与仿真温度之差，然后取全部差值的平方和或者绝对 值之和，并以此作为评价当前样本优劣的依据，即和值越小，则当前内热源的温度和位置样 本越优。最优值即为当前内热源的温度和位置。
[0013] 通过上述方法，实现了对物体内热源分布的重构。进一步地，根据最优内热源温度 与位置值，物体内部温度场分布也随之确定下来。
[0014] 一种物体内热源分布重构系统，其主体包括三个部分:红外热像仪、内热源分布重 构优化仿真系统、显示与操作装置。所述红外热像仪和显示与操作装置相连，红外热像仪将 所拍摄的物体某表面热图传递给显示与操作装置，通过显示与操作装置实现该表面热图的 等距点的选择及其温度值得提取;所述内热源分布重构优化仿真系统和显示与操作装置相 连，显示与操作装置将处理后的相关信息传递给内热源分布重构优化仿真系统，以便后者 实时更新目标函数中的实际温度值，内热源分布重构优化仿真系统又将最优值传递给显示 与操作装置，从而实现对仿真结果的显示，即对内热源的温度和位置的显示。
[0015] 本发明的积极进步效果在于:一、由物体表面温度反演得到内热源分布，是一个典 型的热传导反问题研究课题，本发明将这一反问题进行了向正问题的转化;二、以内热源的 温度和位置为优化变量，采用智能全局优化算法重构内热源，在重构过程中，为了目标函数 的构建，仅仅只需获取一个表面的温度数据，避免了传统数值方法中的复杂的正则化处理 过程以及边界条件处理过程;三、在构建目标函数时，只需按某种方式选取有限个等距点， 并在实际模型和仿真模型中提取对应的温度值，这极大地简化了内热源分布重构的过程， 使得本发明具有普遍的实用价值。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明一种物体内热源分布重构系统及方法的结构示意图。
[0017] 图2为本发明基于智能全局优化算法的内热源分布重构方法流程图。
[0018] 图3为本发明目标函数的构建方法示意图。
[0019] 图4为本发明内热源分布重构优化仿真系统中的三个模块的数据交换流程图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明的目的、方法、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发 明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
[0021 ]由物体表面温度推导其内热源分布是一个典型的热传导反问题，本发明以物体的 内热源温度和位置为优化变量，基于智能全局优化算法，将这复杂的热传导反问题转换成 正问题来进行求解，避免了目前常用方法中复杂的边界条件处理和正则化处理过程。
[0022]图1为本发明一种物体内热源分布重构系统及方法的结构示意图。如图1所示，红 外热像仪和显示与操作装置相连接，内热源分布重构优化仿真系统和显示与操作装置相连 接。此外，图1中还显示了实际物体及其内热源。
[0023]如图1所示，红外热像仪探测到物体一个表面的温度分布信息，并形成红外热图， 然后将该热图传递给显示与操作装置，通过显示与操作装置，工作人员对获取的红外热图 进行与实际物体的等比例处理，然后按某种方式(十字形，或正方形，或圆形等)等距离取点 并提取其对应的温度值。以十字形为例，在红外热图中作十字形，十字形的交叉点尽量靠近 红外热图的高温区域，使十字形的两条直线更多地包含红外热图的温度分布特征，接着在 十字形上等距离取有限个点并提取其对应的温度值。
[0024]在一个优化样本下，计算出理论的物体表面温度分布，并对应于实际的红外热图， 选定相同数量，相同位置的等距点，提取相应的理