CN103954650A - 一种固体材料热扩散系数测试方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料热物性参数测试技术领域，公开了一种固体材料热扩散系数测试方法与系统，包括：水循环系统产生一循环水流，循环水流与平板状试样的一面接触，进行对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大；温度控制系统控制循环水流的温度，使其保持恒温；温度采集与分析系统采集所述平板状试样的绝热侧表面温度变化，通过数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。本发明利用高温循环流动的水作为热源，与被测试样间不存在接触热阻，有利于保证足够的测试精度。通过控制毕渥数，使水与试样表面间符合第一类边界条件下的换热过程，达到直接解算热扩散系数的目标。

Description

一种固体材料热扩散系数测试方法与系统

技术领域

本发明属于材料热物性参数测试技术领域，具体涉及一种固体材料，特别是具有不渗水性固体材料的热扩散系数测试方法与系统。

背景技术

热扩散系数作为固体材料重要的参数，表征了材料的传热性能以及温度均衡性能，是分析材料中导热过程的重要指标；并且在材料、能源、建筑、国防、化工、制冷工程等领域有着重要的用途，随着现代工业的发展其测试方法也一直是研究热点之一。已有测试方法主要分为稳态法和非稳态法，稳态法是基于傅里叶导热定律之上的，主要包括圆管法、热流计法、防护热板法等，但是稳态法往往因为实验时间较长同时存在接触热阻而运用场合受到限制。非稳态法由于测试周期短，往往可同时获取导热系数，而被广泛采用，主要包括闪光法、径向热流法、可动热源法、Forbes棒法、周期热流法等。但实际应用中仍存在一些问题，例如闪光法只能应用于不透光材料，径向热流法在热源均匀度、功率波动、侧向热流损失等方面仍没有得到较好解决，同时大多数采用固体热源的方法对于热源与被测物体间的接触热阻问题表征仍存在困难。

发明内容

针对现有测固体材料热扩散系数测试方法存在的不足，本发明提出了一种新的固体材料热扩散系数测试方法与系统。

为达到上述目的，本发明采用下列技术方案：

一种固体材料热扩散系数测试方法，其特征在于，涉及水循环系统，温度控制系统，温度采集与分析系统，包括以下具体步骤：

产生循环水流，所述循环水流与平板状试样的一面接触，进行对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大；

控制循环水流的温度，使其保持恒温；

采集试样绝热侧表面温度变化，通过数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。

本发明同时提出了一种上述的固体材料热扩散系数测试方法的系统，包括水循环系统，温度控制系统，温度采集与分析系统；

所述水循环系统，用于产生循环水流，所述循环水流与平板状试样的一面接触，进行对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大；

所述温度控制系统，用于控制循环水流的温度，使其保持恒温；

所述温度采集与分析系统，用于采集试样绝热侧表面温度变化，并利用数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。

优选的，所述水循环系统包括外箱体，内箱体，底部柱形通道，螺旋叶片装置，联轴器和电机；所述内箱体置于所述外箱体内，所述外箱体、内箱体的顶部分别开放，平板状试样放在外箱体的顶部、内箱体顶部上方，所述内箱体壁与外箱体壁之间形成水循环通道；所述底部柱形通道位于所述内箱体底与外箱体底部之间，所述螺旋叶片位于所述底部柱形通道内，通过联轴器与电机连接，利用电机带动旋转，挤压底部柱形通道中的水，产生循环水流，与平板状试样一面接触产生对流换热。所述螺旋叶片装置为蜗片蜗杆装置。

优选的，所述温度控制系统包括温度控制器和加热棒，所述温度控制器根据预先设置的温度，通过加热棒控制水的温度和使其恒温；

优选的，所述温度采集与分析系统包括温度测点，温度采集和传输装置，数据处理装置；所述温度测点采集试样绝热侧表面温度变化并转化为电流信号，传输给温度采集和传输装置；所述温度采集和传输装置将采集信号传输给所述数据处理装置，数据处理装置利用数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。

更优选的，平板状试样的宽度≤底部柱形通道的长度，以消除流体在过流断面边界处速度不均匀带来的影响。

本发明主要适用于具有不渗水性的固体如金属、玻璃等材料的热扩散系数测量，具有以下有益效果：

1、利用高温循环流动的水作为热源，温度均匀性好，且与被测试样间不存在接触热阻，有利于保证足够的测试精度。

2、通过电机控制蜗片蜗杆装置旋转使水循环流动，调整与试样接触的水流速度改变对流换热系数，进而控制毕渥数Bi，使水与试样表面间符合第一类边界条件下的换热过程，达到直接解算热扩散系数的目标。

附图说明

图1为本发明的原理简图。

图2为本发明具体实施方式的整体结构图。

图3为不同水循环流动速度u₀(m/s)时的平均换热系数h_m变化关系图。

图4为图2的部分俯视图。

图5为图2的部分左视图。

图中，平板状试样1、加热棒2、电机3、联轴器4、蜗片蜗杆装置5、底部柱形通道6、外箱体7、内箱体8、水循环通道9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，平板状试样1，初始温度为t₀，其一侧突然与温度为t_∞的流体接触，另外一侧面绝热，设不考虑其侧向热传导，则流体与固体表面间传热，可视为第三类边界条件下的一维非稳态传热过程，其解析解如下：

$\frac{\mathrm{\θ}(x,\mathrm{\τ})}{{\mathrm{\θ}}_0}={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{\∞}\frac{2\sin {\mathrm{\β}}_n}{{\mathrm{\β}}_n+\sin {\mathrm{\β}}_n\cos {\mathrm{\β}}_n}\cos \left({\mathrm{\β}}_n\frac{x}{\mathrm{\δ}}\right)e-{{\mathrm{\β}}_n}^2\mathrm{Fo}---\left(1\right)$

式中θ—过余温度，θ=t-t_∞。

β_n—超越方程的系列解。

称为毕渥数，表示平板的导热热阻和其表面的对流换热热阻的比。

称为傅里叶数，表示非稳态导热过程的无量纲时间。

基于第三类边界条件的公式(1)含有无穷项级数，无法直接求解，研究表明而当Fo≥0.2时可取公式(1)的第一项代替整个无穷级数，其计算结果的误差在1％以内，足以满足工程计算精度要求：

$\frac{\mathrm{\θ}(x,\mathrm{\τ})}{{\mathrm{\θ}}_0}=\frac{2\sin {\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_1+\sin {\mathrm{\β}}_1\cos {\mathrm{\β}}_1}\cos \left({\mathrm{\β}}_1\frac{x}{\mathrm{\δ}}\right)e-{{\mathrm{\β}}_1}^2\mathrm{Fo}---\left(2\right)$

对式(2)两边取对数，得

$\ln \mathrm{\θ}=-{{\mathrm{\β}}_1}^2\frac{\mathrm{\α\τ}}{{\mathrm{\δ}}^2}+\ln \left[{\mathrm{\θ}}_0\frac{2\sin {\mathrm{\β}}_1}{{\mathrm{\β}}_1+\sin {\mathrm{\β}}_1\cos {\mathrm{\β}}_1}\cos \left({\mathrm{\β}}_1\frac{x}{\mathrm{\δ}}\right)\right]---\left(3\right)$

式(3)虽然较式(1)进行了大幅度简化，但仍包含两个未知数β₁和Fo，而无法通过测量温度θ直接计算得到热扩散系数a。

研究表明，Bi→∞时，β₁恒等于1.5708，从而式(3)中将只有一个未知数a，通过测量试样与水接触后绝热面(x＝0)处的不同时刻τ的过余温度变化值θ，可直接计算出a。而实际上Bi不可能无穷大，但通过计算表明，当Bi数为30时，β₁值为1.5202，与Bi数为∞时的β₁值1.5708，相对误差从而Bi只要大于30与假设其为无穷大(取β₁＝1.5708)带来的误差在可接受范围内。

基于上述原理，本发明提出了一种固体材料热扩散系数测试方法，包括以下具体步骤：

产生循环水流，所述循环水流与平板状试样的一面接触，进行对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大；控制循环水流的温度，使其保持恒温；采集试样绝热侧表面温度变化，通过数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。

如图2所示，内箱体8置于外箱体7内，所述外箱体、内箱体的顶部分别开放，平板状试样1放在外箱体7的顶部、内箱体8顶部上方，内箱体壁与外箱体壁之间形成水循环通道9；底部柱形通道6位于内箱体底与外箱体底部之间，蜗片蜗杆装置5位于底部柱形通道6内，蜗片蜗杆装置5通过联轴器4与电机3连接。加热棒2插于内箱体底与外箱体内，温度控制器控制加热棒2实现水的加热与保温，以得到设定温度的水。电机3通过联轴器4带动螺旋叶片5转动，压缩底部柱形通道6中的水，使其在水循环通道7中以一定速度循环流动，进而与平板状试样1对流换热。温度采集和分析系统中的温度测点采集平板状试样1绝热侧表面温度的变化，同时传输给温度采集和传输装置，温度采集和传输装置将信号转换为温度数值传送给微型计算机，进而代入(3)式算出热扩散系数a。不同水流速度可直接计算得到相应的对流换热系数h，由流体力学知识可知，水流动有层流流动或湍流流动两种形式，其流动边界层存在区别，对流换热系数h计算公式有所不同。

水流以层流状态流过平板状试样1壁面对流传热时：

$h_m=0.664\frac{k}{L}{\mathrm{Re}}_L^{1/2}{\mathrm{Pr}}^{1/3}---\left(4\right)$

水流以湍流状态流过平板状试样1壁面对流传热时

$h_m=0.0365\frac{k}{L}{\mathrm{Pr}}^{\frac{1}{3}}({\mathrm{Re}}_L^{0.8}-A)---\left(5\right)$

$A={\mathrm{Re}}_{\mathrm{xc}}^{0.8}-18.19{\mathrm{Re}}_{\mathrm{xc}}^{0.5}---\left(6\right)$

以上诸式中，无量纲数群中的流体物性参数按平均温度取值，即

$t_m=\frac{t_s+t_0}{2}$

式中t_s、t₀分别为平板状试样1表面初始温度和水初始温度；设板材固体材料初始温度为20℃水初始温度为100℃。

式中k—在t_m温度下水的导热系数，60℃温度下水的导热系数为0.659W/(m·k)

L—特征长度，此处指水流过方向平板状试样1的长度。此处特征长度L＝100(mm)。

Re_L—特征长度L下的雷诺数，是惯性力与粘性力之比的一种量度。60℃温度下水的运动粘度v=4.78*10^-7(m²/s)。

Pr—在t_m温度下水的普朗特数，是动量扩散能力与热量扩散能力的一种量度。60℃温度下水的Pr＝2.99。

Re_xc——临界雷洛数，即水流淌过平板状试样1表面时，以平板状试样1前缘至层流边界层转化为湍流边界层处为特征长度的雷洛数。

h_m——表示平均换热系数。

设平板状试样1尺寸为100*100*5(mm)，其初始温度为t₀=20℃。t_∞＝100℃的水以平均速度u₀(m/s)流过平板状试样1表面，如图3为不同水循环流动速度u₀(m/s)时的平均换热系数h_m。

由图3可看出水流速度u0在4.5m/s左右时，即可使对流换热系数达到12000以上，设平板状试样厚度δ＝5mm，导热系数λ＝1W/(m·k)，此时毕渥数Bi＝60，而将其视为无穷大直接取β_１＝1.5708，显然不会带来明显误差，从而技术方案是完全可行的。

如图4和图5所示，为消除流体在过流断面边界处速度不均匀带来的影响，平板状试样1的尺寸宽度a(mm)≤底部柱形通道6的尺寸b(mm)，本装置中取a＝0.8b。

以上实例所假设的参数和尺寸都是帮助理解本发明的方法和核心思想，针对不同的固体材料应该查相关手册来确定其参数以及根据实际情况来测量其尺寸大小。综上所述，本说明书参数和尺寸不应理解为对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围情况下，还可以做出各种变化，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的权利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种固体材料热扩散系数测试方法，其特征在于，包括以下具体步骤： 

产生一循环水流，所述循环水流与平板状试样的一面接触，进行对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大； 

控制循环水流的温度，使其保持恒温； 

采集所述平板状试样的绝热侧表面温度变化，通过数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。 

2.一种权利要求1所述的固体材料热扩散系数测试方法的系统，其特征在于，包括水循环系统，温度控制系统，温度采集与分析系统； 

所述水循环系统，用于产生循环水流，所述循环水流与平板状试样的一面接触，进行对流换热；所述循环水流与试样表面间的对流换热系数足够大到使毕渥数Bi趋于无穷大； 

所述温度控制系统，用于控制循环水流的温度，使其保持恒温； 

所述温度采集与分析系统，用于采集试样绝热侧表面温度变化，并利用数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。 

3.根据权利要求2所述的固体材料热扩散系数测试方法的系统，其特征在于，所述水循环系统包括外箱体，内箱体，底部柱形通道，螺旋叶片装置，联轴器和电机；所述内箱体置于所述外箱体内，所述外箱体、内箱体的顶部分别开放，平板状试样放在外箱体的顶部、内箱体顶部上方，所述内箱体壁与外箱体壁之间形成水循环通道；所述底部柱形通道位于所述内箱体底与外箱体底部之间，所述螺旋叶片位于所述底部柱形通道内，通过联轴器与电机连接，利用电机带动旋转，挤压底部柱形通道中的水，产生循环水流，与平板状试样一面接触产生对流换热。 

4.根据权利要求2所述的固体材料热扩散系数测试方法的系统，其特征在于，所述温度控制系统包括温度控制器和加热棒，所述温度控制器根据预先设置的温度，通过加热棒控制水的温度和使其恒温。 

5.根据权利要求2所述的固体材料热扩散系数测试方法的系统，其特征在于，所述温度采集与分析系统包括温度测点，温度采集和传输装置，数据处理装置；所述温度测点采集试样绝热侧表面温度变化并转化为电流信号，传输给温度采集和传输装置；所述温度采集和传输装置将采集信号传输给所述数据处理装置，数据处理装置利用数学模型计算得到被测试样热扩散系数值。 

6.根据权利要求2所述的固体材料热扩散系数测试方法的系统，其特征在于，平板状 试样的宽度≤底部柱形通道的长度。 

7.根据权利要求3所述的固体材料热扩散系数测试方法的系统，其特征在于，所述螺旋叶片装置为蜗片蜗杆装置。