基于反分析的温变导热系数材料、连续相变材料导热系数测试方法研究

发布时间：2020-05-25 00:17

【摘要】：材料导热系数的测试在生产生活,工程建设,节能环保等各方面都有很重要的意义。目前已有的导热系数测试方法大多是为常导热系数开发的,而实际工程中导热系数随温度发生变化的材料随处可见,此类材料导热系数的测试有十分重要的工程意义。导热系数随温度发生变化的材料又可以分为温变导热系数材料和连续相变材料,二者的区别是前者不发生相变。首先,通过阅读整理文献,总结现有导热系数测试方法及其局限性,了解温变导热系数材料和连续相变材料一维非稳态热传导问题的解析解,掌握matlab软件。然后,基于反分析提出了温变导热系数材料导热系数的两种测试方法。先学习半无限大温变导热系数材料的热传导问题的解析解,本文引用的是Tao解。再基于反分析提出两种测量温变导热系数材料导热系数的方法。方法一,直接通过反分析得到的非线性方程组来获取每个常数单元的导热系数。应用方法一时需要测量材料内部温度和表面热通量度,方法一没有迭代过程,应用比较简单。方法二,将导热系数的计算问题转换为目标函数最小化问题。目标函数被定义为计算值和测量值之间的平方差的总和。使用Levenberg-Marquardt方法解决目标函数最小化问题。应用方法二时需要测量材料内部两点的温度变化。然后针对温变导热系数材料,分别考虑了五种类型的导热系数,用上述两种方法进行实例计算,分析两种方法的准确度。计算结果表明两种方法在测试温变导热系数材料的导热系数时误差在7%以内。实验过程中表面热流和温度的测量误差,导热系数随温度变化的形式以及常单元近似时子区间划分个数等对测试结果均有影响。其次,基于反分析提出了连续相变材料导热系数的两种测试方法。先以土壤为研究对象,学习土壤在半无限区域中的热传导过程的解析解,本文引用的是周解。然后基于反分析提出两种测试连续相变材料导热系数的方法。方法一,直接通过反分析得到的非线性方程组来获取每个常数单元的导热系数。应用方法一时需要测量材料内部温度和表面热通量度。方法二,将导热系数的计算问题转换为目标函数最小化问题。目标函数被定义为计算值和测量值之间的平方差的总和。使用Levenberg-Marquardt方法解决目标函数最小化问题。应用方法二时需要测量材料两点的温度变化。最后针对连续相变材料,分别考虑了五种类型的导热系数,并用上述两种方法进行实例计算,分析了两种方法的准确度。计算结果表明两种方法测试连续相变材料导热系数均是可行的,且误差在8%以内。最后,进行徐州地区粉质黏土导热系数测试实验,得到了三种不同初始含水率的徐州地区粉质黏土不同温度下的导热系数。结果显示同一温度下,初始含水率越大的土样导热系数也越大。同一初始含水率的土样,导热系数在负温下比正温下要大,且随温度减小(负温)或增大(正温)而增大。该论文有图46幅,表12个,参考文献88篇。
【图文】：

防护热板法

法稳态法测量材料的导热系数，首先需要为待测材料建立不随时间变化的温度场测物体的内部处于热平衡状态时，，根据材料单位面积上的温度梯度和热流速度料的导热系数。态法测量材料导热系数的优点是原理简单，操作方便，测量结果准确可靠，而可测量的导热系数范围较大。但是该方法也存在一些缺点，比如该方法相对比测定时间长，而且对环境(如测量系统的绝热条件、测量过程中的温度控制以形状尺寸等 )都有严格的要求。态测量法又包含多种测量方法，例如防护热流法、防护热板法等[15]。这些方法都大致相同，全部运用了傅里叶定律。稳态测量法的核心就是准确的控制热流度的测量。下面简要介绍防护热板法和水流量平板法的测试原理：. 防护热板法护热板法结构如图 1-1 所示，由两个大小形状相同的样品，一个计量加热板，冷板，边缘绝热层和防护加热板组成。测试时，由计量加热板通过样品分别向传输热量[16]。

平板法,水流量,导热系数,稳态法

图 1-2 水流量平板法结构Figure1-2 The structure of water flow plate method块；B-均热板；C-支承块；D-试样；E-垫块；F-玻璃纤维；水口。下，水流量带走的热量与试样导热系数、试样温差、量热面比，其导热系数的计算公式如下：AΔTQLk = 试样导热系数，W/(m·K)；Q-单位时间内水流吸收的热量，热面积，m2；ΔT-冷、热面温差，K。数的稳态法测试研究现状如下：利用稳态法测试了 4 种轮胎橡胶复合材料的导热系数,在测度线性相关。对误差进行了分析，并用校核实验验证了实验]用稳态法测量了不同厚度橡胶板的导热系数,并分析了实验
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU50

【参考文献】