CN106248725A - 一种多孔介质等效导热系数测量方法 - Google Patents

一种多孔介质等效导热系数测量方法 Download PDF

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王哲
郭莲莲
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Abstract

本发明涉及一种多孔介质等效导热系数测量方法，属于多孔介质传热领域。基于ANSYS软件中的APDL程序，采用有限元数值模拟的方法对模型进行传热过程计算，对多孔材料的孔隙结构按体积孔隙随机分配，分析多孔材料模型等效导热系数与孔隙率之间的关系。采用真密度仪测得多孔介质的真密度，利用激光闪射法测量某孔隙率下多孔介质的导热系数，结合有限元模拟结果，计算得到不同温度下的多孔介质等效导热系数。

Description

一种多孔介质等效导热系数测量方法
技术领域
本发明涉及一种多孔介质等效导热系数测量方法，属于多孔介质传热领域。
背景技术
多孔介质材料由固体骨架与孔隙构成，其导热问题一直备受关注，固体骨架导热系数很难直接测量且孔隙结构影响热量的传输。多孔材料的传热不仅涉及到流体与固体之间热传导，还涉及到对流换热，在温度较高时，还要考虑热辐射作用，传热机制十分复杂。多孔材料的传热过程是导热、对流、辐射的综合作用过程。这一综合传热过程可以用等效导热系数来表达。在国内外诸多研究中，多孔介质等效导热系数采用参考值或通过数值计算，在实际过程中，导热系数会随温度发生变化，参考值较为不准确，数值计算工作量较大，而且易与实际过程产生较大偏差。
发明内容
本发明的目的在于利用实验结合有限元模拟准确地测量计算多孔介质等效导热系数。
本发明是通过下述方案予以实现的：
一种多孔介质等效导热系数测量方法，其特征在于：所述多孔介质等效导热系数测量方法具体过程为：
步骤一，取部分待测多孔介质(1)，利用浸泡介质法测量计算样品真体积，利用真密度仪测量计算待测样品密度，再计算样品真密度；
步骤二，基于有限元APDL模拟，采用ANSYS软件中的APDL程序，孔隙率取值范围为5-50％，将孔隙随机分配到固体中形成固体骨架。将固体骨架和空气的导热系数进行赋值，固体骨架导热系数从1-60W·m-1·K-1分别取值；空气导热系数取室温至最高温度的平均值进行传热过程计算，拟合数据后得到在不同孔隙率下等效导热系数随固体导热系数变化的关系；
步骤三，取部分待测样品按照热分析实验要求加工成为相应试样(2)，称量并计算试样孔隙率(1-质量/体积/真密度)；测量(2)等效导热系数，线性拟合后得到随温度变化曲线及表达式；
步骤四，将步骤三所得等效导热系数带入步骤二模拟数据中，得到该孔隙率下的固体导热系数，并根据该固体导热系数计算出该多孔介质等效导热系数随孔隙率变化的关系。
如果步骤三所测的等效导热系数为温度的函数，最终所得等效导热系数随温度变化的表达式也是温度的函数，即可得到等效导热系数随温度、孔隙率变化的函数关系。
模拟中改变空气导热系数数值，等效导热系数结果几乎没有变化，因此可忽略温度对空气导热系数的影响。
进一步，以某钢厂为例，有限元模型尺寸为10mm×10mm×5mm，划分单元为边长0.5mm的正方体，空气导热系数取值为室温至800℃的平均值0.04W·m-1·K-1，除上下表面外均为绝热条件。
步骤三，取部分待测样品按照热分析实验要求加工成为相应试样，称量并计算试样孔隙率(1-质量/体积/真密度)；测量其等效导热系数，线性拟合后得到随温度变化曲线及表达式；
步骤四，将步骤三所得等效导热系数带入步骤二模拟数据中，得到该孔隙率下的固体导热系数，并根据该固体导热系数计算出该多孔介质等效导热系数随孔隙率变化的关系。如果步骤三所测的等效导热系数为温度的函数，最终所得等效导热系数随温度变化的表达式也是温度的函数，即可得到等效导热系数随温度、孔隙率变化的函数关系。
该方法适用对象为大多数非致密多孔介质，孔隙率小于50％。
比较现有的计算有效导热系数的方法，本发明具有以下优点：
1、实验与模拟计算相结合的方法，得到了更加符合实际的多孔介质等效导热系数变化规律；
2、所得结果与文献中实际导热系数误差控制在10％左右；
3、该方法适应范围较广，大多数非致密多孔介质均可用该方法测量。
附图说明
图1为本发明中计算方法流程图
图2为固体导热系数20W·m-1·K-1、孔隙率40％热流密度分布(单位W·m-2)
图3为等效导热系数测试结果拟合曲线
图4为改变空气导热系数等效导热系数与固体骨架导热系数的关系
图5为等效导热系数随孔隙率、固体导热系数变化关系拟合
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种多孔介质等效导热系数测量方法，基于ANSYS软件中的APDL程序，采用有限元数值模拟的方法对模型进行传热过程计算，对多孔材料的孔隙结构按体积孔隙随机分配，分析多孔材料模型等效导热系数与孔隙率之间的关系。采用真密度仪测得多孔介质的真密度，利用激光闪射法测量某孔隙率下多孔介质的导热系数，结合有限元模拟结果，计算得到不同温度下的多孔介质等效导热系数。
如图2所示采用有限元数值模拟的方法对模型进行传热过程计算，对多孔材料的孔隙结构按体积孔隙随机分配(0-50％)，图为孔隙率随机分配40％。
如图3所示采用热分析实验对待测样品进行的导热系数测试，得到该孔隙率下待测样品等效导热系数。
如图4所示为排除孔隙中空气对于导热系数测量的影响，特此在模拟中改变空气导热系数数值，结果表明改变空气导热系数固体等效导热系数没有变化，因此可忽略温度对空气导热系数的影响。
如图5所示利用实验与模拟计算相结合的方法，得到等效导热系数与孔隙率和固体导热系数回归分析图，从图中可得到该种材料不同孔隙率在一定温度范围内等效导热系数变化规律。

Claims (1)

1.一种多孔介质等效导热系数测量方法，其特征在于,具体过程为：
步骤一，取部分待测多孔介质，利用浸泡介质法测量计算样品真体积，利用真密度仪测量计算待测样品密度，再计算样品真密度；
步骤二，基于有限元APDL模拟，采用ANSYS软件中的APDL程序，孔隙率取值范围为5-50％，将孔隙随机分配到固体中形成固体骨架。将固体骨架和空气的导热系数进行赋值；空气导热系数取室温至最高温度的平均值进行传热过程计算，拟合数据后得到在不同孔隙率下等效导热系数随固体导热系数变化的关系；
步骤三，取部分待测样品加工成为相应试样，称量并计算试样孔隙率；测量试样等效导热系数，线性拟合后得到随温度变化曲线及表达式；
步骤四，将步骤三所得等效导热系数带入步骤二模拟数据中，得到该孔隙率下的固体导热系数，并根据该固体导热系数计算出该多孔介质等效导热系数随孔隙率变化的关系。
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