Определение теплофизических свойств материалов при косвенном контроле температуры граничащей со стенкой среды

Контроль температуры ограниченной стенками среды без непосредственного расположения в ней датчиков важен для обеспечения эффективной работы многих устройств и технологических агрегатов (устройств термической обработки, двигателей, реакторов и др.). Однако разработка способа контроля с широкой сферой применения требует автоматизации определения теплофизических свойств материалов стенки и среды без проведения специализированных испытаний, что затруднено в силу индивидуальной специфики каждого объекта. В работе представлены результаты определения теплофизических свойств материалов при косвенном контроле температуры граничащей со стенкой среды. Исследовали сложности, возникающие при автоматизации определения свойств материалов при адаптации моделей сложного теплообмена между средой и стенкой с частично неопределенными свойствами. Использовали упрощенные модели теплообмена, это позволяло представить сигналы моделей в виде приращений относительно начального для периода времени момента и уменьшить влияние несоответствия функциональной формы модели объекту на результаты косвенного контроля. Неизвестные при адаптации модели параметры определяли по ретроспективным данным ограниченной временной области. Показано, что модель может применяться для контроля обобщенной оценки температуры среды рядом с местом контроля температур в стенке с последующим прогнозом последствий варьирования температуры изолированной среды. Работоспособность предложенного подхода продемонстрирована на примере эксперимента по нагреву шамотного кирпича. Полученные результаты могут быть использованы при разработке универсальных методов контроля температуры, применимых для различных объектов.

1. Победря Б. Е., Кравчук А. С., Аризпе П. А. Идентификация коэффициентов нестационарного уравнения теплопроводности / Вычислительная механика сплошных сред. 2008. Т. 1. ¹ 4. С. 78 – 87.

2. Jinfei Wang, Orest Kochan, Krzysztof Przystupa, Jun Su. Information-measuring System to Study the Thermocouple with Controlled Temperature Field / Measurement science review. 2019. Vol. 19. N 4. P. 161 – 169. DOI: 10.2478/msr-2019-0022

3. Петухова В. В., Огородникова О. М. Моделирование теплофизических свойств формовочных материалов решением обратной задачи теплопроводности / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 1. С. 42 – 49. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-1-42-49

4. Огородникова О. М., Мартыненко С. В. Расчетно-экспериментальная корректировка баз данных для компьютерного моделирования литейных технологий / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 10. С. 40 – 43.

5. Мордасов С. А., Негуляева А. П., Чернышов В. Н. Контроль теплофизических характеристик строительных материалов адаптивным методом с использованием СВЧ-нагрева / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 2. С. 30 – 36. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-2-30-36

6. Ping Xiong, Jian Deng, Tao Lu, Qi Lu, Yu Liu, Yong Zhang. A sequential conjugate gradient method to estimate heat flux for nonlinear inverse heat conduction problem / Annals of Nuclear Energy. 2020. Vol. 149. 107798. DOI: 10.1016/j.anucene.2020.107798

7. Парсункин Б. Н., Андреев С. М., Бондарева А. Р., Ахметов У. Б. Непрерывный контроль температуры жидкой стали в технологических агрегатах металлургического производства / Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2018. Т. 18. ¹ 3. С. 33 – 41. DOI: 10.14529/met180304

8. Lu T., Liu B., Jiang P., Zhang Y., Li H. A two-dimensional inverse heat conduction problem in estimating the fluid temperature in a pipeline / Applied Thermal Engineering. 2010. Vol. 30. N 13. P. 1574 – 1579. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2010.03.011

9. Lu T., Liu B., Jiang P. Inverse estimation of the inner wall temperature fluctuations in a pipe elbow / Applied Thermal Engineering. 2011. Vol. 31. N 11 – 12. P. 1976 – 1982. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2011.03.002

10. Liuwei Cheng, Fengquan Zhong, Hongbin Gu, Xinyu Zhang. Application of conjugate gradient method for estimation of the wall heat flux of a supersonic combustor / International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 96. P. 249 – 255. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.01.036

11. Liu Linhua, Tan Heping, Yu Qizheng. Inverse radiation problem of temperature field in three-dimensional rectangular furnaces / International Communications in Heat and Mass Transfer. 1999. Vol. 26. N 2. P. 239 – 248.

12. Ling Shen, Zhaohui Jiang, Weihua Gui, Chunhua Yang, Yalin Wang, Bei Sun. Modelling of Inner Surface Temperature Field of Blast Furnace Wall Based on Inverse Heat Conduction Problems / IFAC-Papers On-Line. 2019. Vol. 52. N 14. DOI: 10.1016/j.ifacol.2019.09.167

13. Рябчиков М. Ю., Рябчикова Е. С., Шманев Д. Е., Кокорин И. Д. Управление охлаждением стальной полосы при гибком производстве оцинкованного листового проката / Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 7. С. 519 – 529. DOI: 10.17073/0368-0797-2021-7-519-529

14. Рябчиков М. Ю., Рябчикова Е. С. Модели для упреждающего управления тепловыми процессами термической обработки стали на агрегатах непрерывного горячего оцинкования / Известия вузов. Машиностроение. 2023. № 12(765). С. 80 – 96. DOI: 10.18698/0536-1044-2023-12-80-96

15. Hongwu Fana, Bingxi Lib, Lidan Yangb, Ruzhu Wanga. Simultaneous estimation of the temperature and heat rate distributions within the combustion region by a new inverse radiation analysis / Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2002. Vol. 74. P. 75 – 83. DOI: 10.1016/S0022-4073(01)00253-9

16. Farzan H., Hosseini Sarvari S., Mansouri S. Inverse boundary design of a radiative smelting furnace with ablative phase change phenomena / Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 98. P. 1140 – 1149. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.01.029

17. Mirko Gamba, Hakan Ertürk, Ofodike A. Ezekoye, John R. Howell. Modeling of a radiative RTP-type furnace through an inverse design: mathematical model and experimental results / Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition. — New Orleans, 2002. P. 237 – 246. DOI: 10.1115/IMECE2002-33844

18. Horsman A. P., Daun K. J. Design Optimization of a Two-Stage Porous Radiant Burner through Response Surface Modeling / Numerical Heat Transfer. Part A. Applications: An International Journal of Computation and Methodology. 2011. Vol. 60. N 9. P. 727 – 745. DOI: 10.1080/10407782.2011.627782

19. Larissa D. Lemos, Rogerio Brittes, Francis H. R. França. Application of inverse analysis to determine the geometric configuration of filament heaters for uniform heating / International Journal of Thermal Sciences. 2016. Vol. 105. P. 1 – 12. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2016.02.015

20. Rahul Yadav, Swapnil Tripathi, Shailendra Asati, Malay K. Das. A combined neural network and simulated annealing based inverse technique to optimize the heat source control parameters in heat treatment furnaces / Inverse Problems in Science and Engineering. 2020. Vol. 28. N 9. P. 1265 – 1286. DOI: 10.1080/17415977.2020.1719087

21. Bayat N., Mehraban S., Sarvari S. Inverse boundary design of a radiant furnace with diffuse-spectral design surface / International Communications in Heat and Mass Transfer. 2010. Vol. 37. P. 103 – 110. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2009.07.005

22. Leila Darvishvand, Babak Kamkari, Farshad Kowsary. Optimal design approach for heating irregularshaped objects in three-dimensional radiant furnaces using a hybrid genetic algorithm-artificial neural network method / Engineering Optimization. 2017. Vol. 50. N 6. P. 1 – 19. DOI: 10.1080/0305215X.2017.1323889

23. Martín E., Meis M., Mourenza C., Rivas D., Varas F. Fast solution of direct and inverse design problems concerning furnace operation conditions in steel industry / Applied Thermal Engineering. 2012. Vol. 47. P. 41 – 53. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2012.03.012

24. Hakan Erturk, Mirko Gamba, Ofodike A. Ezekoye, John R. Howell. Validation of inverse boundary condition design in a thermometry test bed / Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2008. Vol. 109. P. 317 – 326. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2007.08.029

25. Гулин А. И., Амиров А. Р. Обзор современных методов измерения температуры газов в камере сгорания газотурбинного двигателя / Тенденции развития науки и образования. 2020. ¹ 68-3. С. 72 – 76. DOI: 10.18411/lj-12-2020-114

26. Rene Pinnau. Analysis of optimal boundary control for radiative heat transfer modeled by the SP1-system / Commun. Math. Sci. 2007. Vol. 5. N 4. P. 951 – 969.

27. Рябчиков М. Ю., Рябчикова Е. С., Новак В. С. Гибридная модель для упреждающего управления температурой металла при горячем оцинковании стальной полосы / Мехатроника, автоматизация, управление. 2023. Т. 24. № 8. С. 421 – 432. DOI: 10.17587/mau.24.421-432

28. Рябчиков М. Ю., Рябчикова Е. С. Модель для упреждающего управления температурой цинкового расплава в ванне при непрерывном горячем оцинковании стальной полосы / Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2024. № 1. С. 64 – 73. DOI: 10.54826/19979258_2024_1_13

29. Кузнецова А. Э., Скворцова М. П., Стефанюк Е. В. Решение обратной задачи теплопроводности по идентификации начального условия краевой задачи / Вестник СГТУ. Серия технические науки. 2014. № 3(43). С. 155 – 162.

30. Дилигенская А. Н. Решение ретроспективной обратной задачи теплопроводности на основе параметрической оптимизации / Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 3. С. 399 – 406. DOI: 10.7868/S0040364418030110

31. Япарова Н. М., Гаврилова Т. П. Численный метод прогнозирования температуры с помощью уравнения Вольтерра / Марчуковские научные чтения. 2019. С. 570 – 574. DOI: 10.24411/9999-016A-2019-10090

32. Bing Bai, Wenbin Yang, Xinhua Qi, Qingfeng Che, Quan Zhou, Weimin Sun, Shuang Chen. Experimental study of thermocouple temperature measurement based on coherent anti-Stokes Raman spectroscopy / AIP Advances. 2023. Vol. 13. 115216. DOI: 10.1063/5.0176359

33. Dariusz Michalski, Kinga Strąk, Magdalena Piasecka. Comparison of two surface temperature measurement using thermocouples and infrared camera / EFM16 — Experimental Fluid Mechanics. 2017. Vol. 143.02075. DOI: 10.1051/epjconf/201714302075

34. Tobias Krille, Rico Poser, Markus Diel, Jens von Wolfersdorf. Conduction and Inertia Correction for Transient Thermocouple Measurements. Part II: Experimental Validation and Application / XXV Biennial Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery (MTT 2020). — EDP Sciences, 2022. Vol. 345.01003. DOI: 10.1051/e3sconf/202234501003

35. Richard Skifton, Joe Palmer, Alex Hashemian. Optimized High-Temperature Irradiation-Resistant Thermocouple for Fast-Response Measurements / ANIMMA 2021 — Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications. 2021. Vol. 253.06004. DOI: 10.1051/epjconf/202125306004

36. Raymond Litteaur. In Situ Verification Techniques for Multipoint Thermocouples in Pressure Vessels / Technical Report. 2018. DOI: 10.13140/RG.2.2.20703.30885

37. Порошина Е. Приоритет 2030: ученые изобрели умные датчики температуры для металлургии и машиностроения. https://www.susu.ru/ru/news/2023/04/29/prioritet-2030-uchenye-izobreli-umnye-datchiki-temperatury-dlya-metallurgii-i (дата доступа 21.05.2024).

38. Kowsary F., Behbahaninia A., Pourshaghaghy A. Transient heat flux function estimation utilizing the variable metric method / International Communications in Heat and Mass Transfer. 2006. Vol. 33. P. 800 – 810. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2006.02.008