CN113125495A - 一种堆积含能材料热导率测量及修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆积含能材料热导率测量及修正方法，该方法包括：测量堆积含能材料传热过程的温度变化，计算含能材料密实密度下的热导率估算值；采用多孔介质计算模型，建立与多点测温稳态圆柱体法实验装置尺寸相同的计算网格，加载与实验传热条件相同的升温程序，设置与实验相同条件的孔隙率，代入热导率估算值为含能材料密实密度热导率的初始值；将各测点温度计算曲线与实验曲线对照，通过修改含能材料密实密度热导率，使计算曲线与实验曲线相吻合，得到含能材料密实密度热导率修正值；根据含能材料密实密度热导率修正值计算得到修正的堆积含能材料热导率值。上述测量及修正方法能够准确、可靠地测量堆积含能材料的热导率。

Description

一种堆积含能材料热导率测量及修正方法

技术领域

本发明涉及含能材料传热性能测试技术领域，具体涉及一种堆积含能材料热导率测量及修正方法。

背景技术

对于含能材料而言，热导率是与含能材料热安全性相关的重要参数，决定了含能材料内部热量的传递性能。而在含能材料的储存、运输过程中，含能材料通常为颗粒状、粉末状的堆积状态，呈现多孔介质的特征，故不能直接用含能材料的热导率来表示堆积含能材料的热导率。堆积含能材料的热导率应该与含能材料本身的热导率相关、还与其堆积状态密切相关。能够准确地测量出堆积含能材料的热导率，对研究堆积含能材料的热传导特性、以及评估堆积含能材料的热安全性具有重要意义。

目前国内外多采用稳态平板法、圆柱体法等对各种材料的热导率进行测量，但还没有专门针对堆积含能材料的热导率测试方法。因此，研究一种方法是一项亟待解决的任务。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种堆积含能材料热导率测量及修正方法，能够准确、可靠地测量堆积含能材料的热导率。

本发明采用以下具体技术方案：

一种堆积含能材料热导率测量及修正方法，包括以下步骤：

采用多点测温稳态圆柱体法实验装置，测量堆积含能材料传热过程的温度变化，根据实验数据计算得到含能材料密实密度下的热导率估算值λ₁；

利用计算流体动力学方法，采用多孔介质计算模型，建立与多点测温稳态圆柱体法实验装置尺寸相同的计算网格，加载与实验传热条件相同的升温程序，设置与实验相同条件的孔隙率，代入λ₁为含能材料密实密度热导率的初始值；将各测点温度计算曲线与实验曲线对照，通过修改含能材料密实密度热导率λ₁＇，使计算曲线与实验曲线相吻合，得到含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇；

根据含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇计算得到修正的堆积含能材料热导率值λ＇。

更进一步地，在根据实验数据计算得到含能材料密实密度下的热导率估算值λ₁的步骤中，采用傅里叶导热方程和有效热导率计算公式计算得到含能材料密实密度下的热导率估算值λ₁，其中：

傅里叶导热方程为：

上式中，ΔQ为含能材料传递的热量，单位为J；Δt为时间差，单位为s；λ为热导率，单位为W·m^-1·℃^-1；T₁为冷板温度，单位为℃；T₂为热板温度，单位为℃；h为热量传递方向上含能材料的长度，单位为m；A为含能材料截面积，单位为m²；

有效热导率计算公式为：

λ＝λ_空气α+λ₁(1-α)；

上式中，λ_空气为空气的热导率，λ_空气＝0.024W·m^-1·℃^-1；α为孔隙率，α＝0.494；λ₁为含能材料密实密度热导率估算值，单位为W·m^-1·℃^-1。

更进一步地，在根据含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇计算得到修正的堆积含能材料热导率值λ＇时，将含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇代入有效热导率计算公式中进行计算得到。

更进一步地，在采用多点测温稳态圆柱体法实验装置测量堆积含能材料传热过程的温度变化步骤中，所述多点测温稳态圆柱体法实验装置包括加热铝板、散热铝板、绝热防护壳、多个温度传感器以及温度记录仪；

所述绝热防护壳为圆筒形结构，顶部为所述加热铝板，底部为所述散热铝板，在所述加热铝板、所述散热铝板以及所述绝热防护壳之间形成用于容置堆积含能材料的密闭空腔；

多个所述温度传感器沿竖直方向间隔分布于所述加热铝板与所述散热铝板之间，用于实时测量所述加热铝板、所述含能材料以及所述散热铝板的温度；

所述温度记录仪连接所述温度传感器，用于记录所述温度传感器测量的温度值。

更进一步地，所述多点测温稳态圆柱体法实验装置还包括控温仪；

所述控温仪与所述加热铝板连接，用于控制所述加热铝板的加热温度。

有益效果：

本发明提供的堆积含能材料热导率测量及修正方法，首先采用多点测温稳态圆柱体法实验装置对含能材料进行实验测量，得到含能材料密实密度下的热导率估算值，然后采用计算流体动力学方法修改含能材料密实密度热导率，使各测点温度的计算曲线与实验曲线相吻合，得到含能材料密实密度热导率修正值，最后根据含能材料密实密度热导率修正值计算得到修正的堆积含能材料热导率值，因此，上述方法将实验测量与流体动力学计算相结合，先进行实验测量，然后通过流体动力学计算软件进行修正，能够得到准确的结果；同时，采用多点测温稳态圆柱体法能够对不同的含能材料以及相同含能材料的不同堆积状态进行测量，具有普适性和可靠性，因此，可以测量不同含能材料从自然堆积到密实堆积之间多个堆积状态的温度变化，从而可以准确测量多种含能材料在不同堆积状态的热导率。

附图说明

图1为本发明的堆积含能材料热导率测量及修正方法的流程图；

图2为本发明的测量及修正方法中采用的多点测温稳态圆柱体法实验装置的结构示意图；

图3为采用上述方法测量的8701炸药各测点温度随时间变化的曲线图；

图4为8701炸药散热时散热铝板的温度随时间变化的曲线图；

图5为8701炸药各测点温度的计算曲线与实验曲线对比曲线图。

其中，1-堆积含能材料，2-加热铝板，3-散热铝板，4-绝热防护壳，5-温度传感器，6-温度记录仪，7-控温仪

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供了一种堆积含能材料热导率测量及修正方法，参考图1，该测量及修正方法可以包括以下步骤：

步骤S10，采用多点测温稳态圆柱体法实验装置，测量堆积含能材料1传热过程的温度变化，根据实验数据计算得到含能材料密实密度下的热导率估算值λ₁；如图2结构所示，实验时所采用的多点测温稳态圆柱体法实验装置包括加热铝板2、散热铝板3、绝热防护壳4、多个温度传感器5以及温度记录仪6；绝热防护壳4为圆筒形结构，顶部为加热铝板2，底部为散热铝板3，在加热铝板2、散热铝板3以及绝热防护壳4之间形成用于容置堆积含能材料1的密闭空腔；绝热防护壳4内用于放置需要测量的含能材料，并起到隔热保温的作用，使含能材料处于绝热环境中，减少含能材料向周边环境散发的热量，使得实验尽可能地接近理想状态；加热铝板2和散热铝板3相对设置在绝热防护壳4的顶部和底部；加热铝板2用于产生热量；散热铝板3用于吸收热量；多个温度传感器5沿竖直方向间隔分布于加热铝板2与散热铝板3之间，用于实时测量加热铝板2、含能材料以及散热铝板3的温度；如图2结构所示，沿竖直方向，在加热铝板2和散热铝板3之间分布有5个温度传感器5，其中，顶部的温度传感器5用于测量加热铝板2的实时温度，底部的温度传感器5用于测量散热铝板3的实时温度，中间的3个温度传感器5用于两侧堆积于绝热防护壳4内的含能材料的实时温度；当然，在本申请实施例中仅示意了5个温度传感器5，在实际实验过程中可以根据需要设置更多个温度传感器5，而且温度传感器5的设置位置也可以根据实际需要进行确定；温度记录仪6连接温度传感器5，用于记录温度传感器5测量的温度值，以便根据温度值进行计算；

步骤S20，利用计算流体动力学方法，采用多孔介质计算模型，建立与多点测温稳态圆柱体法实验装置尺寸相同的计算网格，加载与实验传热条件相同的升温程序，设置与实验相同条件的孔隙率，代入λ₁为含能材料密实密度热导率的初始值；将各测点温度计算曲线与实验曲线对照，通过修改含能材料密实密度热导率λ₁＇，使计算曲线与实验曲线相吻合，得到含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇；

步骤S30，根据含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇计算得到修正的堆积含能材料1热导率值λ＇，此时，可以将含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇代入有效热导率计算公式中进行计算得到修正的堆积含能材料1热导率值λ＇；有效热导率计算公式为：

λ＝λ_空气α+λ₁(1-α)；

上式中，λ_空气为空气的热导率，λ_空气＝0.024W·m^-1·℃^-1；α为孔隙率，α＝0.494；λ₁为含能材料密实密度热导率估算值，单位为W·m^-1·℃^-1。

上述测量及修正方法用于测量堆积含能材料1的热导率，首先采用多点测温稳态圆柱体法实验装置对含能材料进行实验测量，得到含能材料密实密度下的热导率估算值，然后采用计算流体动力学方法修改含能材料密实密度热导率，使各测点温度的计算曲线与实验曲线相吻合，得到含能材料密实密度热导率修正值，最后根据含能材料密实密度热导率修正值计算得到修正的堆积含能材料1热导率值，因此，上述方法将实验测量与流体动力学计算相结合，先进行实验测量，然后通过流体动力学计算软件进行修正，能够得到准确的结果；同时，采用多点测温稳态圆柱体法能够对不同的含能材料以及相同含能材料的不同堆积状态进行测量，具有普适性和可靠性，因此，可以测量不同含能材料从自然堆积到密实堆积之间多个堆积状态的温度变化，从而可以准确测量多种含能材料在不同堆积状态的热导率。

一种具体的实施方式中，在根据实验数据计算得到含能材料密实密度下的热导率估算值λ₁的步骤S10中，采用傅里叶导热方程和有效热导率计算公式计算得到含能材料密实密度下的热导率估算值λ₁，其中：

傅里叶导热方程为：

上式中，ΔQ为含能材料传递的热量，单位为J；Δt为时间差，单位为s；λ为热导率，单位为W·m^-1·℃^-1；T₁为冷板温度，单位为℃；T₂为热板温度，单位为℃；h为热量传递方向上含能材料的长度，单位为m；A为含能材料截面积，单位为m²；

有效热导率计算公式为：

λ＝λ_空气α+λ₁(1-α)；

上式中，λ_空气为空气的热导率，λ_空气＝0.024W·m^-1·℃^-1；α为孔隙率，α＝0.494；λ₁为含能材料密实密度热导率估算值，单位为W·m^-1·℃^-1。

更进一步地，如图2结构所示，在步骤S10中实验时所采用的多点测温稳态圆柱体法实验装置还包括控温仪7；控温仪7与加热铝板2连接，用于控制加热铝板2的加热温度；通过控温仪7能够准确地控制加热铝板2的加热温度，同时还可以通过安装于加热铝板2的温度传感器5进行温度反馈，实现加热铝板2加热温度的闭环控制，更加精确地控制加热铝板2的加热温度，使得测量的含能材料的热导率更加准确。

下面以8701炸药为例进行详细说明：

步骤S10，采用多点测温稳态圆柱体法实验装置，测量堆积8701炸药传热过程的各测点温度变化，实验获得的温度变化曲线如图3所示；加热铝板2以5℃/min的升温速率迅速升温至60℃然后恒温，8701炸药内部各测点温度由上至下、依次开始升温，最终达到平衡状态；

结合散热铝板3的散热曲线，如图4所示，根据傅里叶导热方程得到8701炸药自然堆积状态下热导率估算值λ为0.13W·m^-1·℃^-1。

代入估算值λ到有效热导率计算公式中，计算得到密实密度下的8701炸药热导率估算值λ₁为0.23W·m^-1·℃^-1；

步骤S20，建立堆积8701炸药流体动力学三维数值模拟计算模型，采用多孔介质计算模型，加载与实验传热条件相同的升温程序，即以5℃/min的升温速率升温至60℃然后恒温，设置与实验相同条件的孔隙率0.494，代入λ₁＝0.23W·m^-1·℃^-1为含能材料密实密度热导率的初始值；将各测点温度计算曲线与实验曲线对照，通过修改含能材料密实密度热导率λ₁＇，使计算曲线与实验曲线相吻合，如图5所示；得到此时的8701炸药密实密度热导率修正值λ₁＇＝0.31W·m^-1·℃^-1。

步骤S30，将8701炸药密实密度热导率修正值0.31W·m^-1·℃^-1代入有效热导率计算公式，计算得到修正后的堆积8701炸药热导率值为0.17W·m^-1·℃^-1。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种堆积含能材料热导率测量及修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用多点测温稳态圆柱体法实验装置，测量堆积含能材料传热过程的温度变化，根据实验数据计算得到含能材料密实密度下的热导率估算值λ₁；

利用计算流体动力学方法，采用多孔介质计算模型，建立与多点测温稳态圆柱体法实验装置尺寸相同的计算网格，加载与实验传热条件相同的升温程序，设置与实验相同条件的孔隙率，代入λ₁为含能材料密实密度热导率的初始值；将各测点温度计算曲线与实验曲线对照，通过修改含能材料密实密度热导率λ₁＇，使计算曲线与实验曲线相吻合，得到含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇；

根据含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇计算得到修正的堆积含能材料热导率值λ＇。

2.如权利要求1所述的测量及修正方法，其特征在于，在根据实验数据计算得到含能材料密实密度下的热导率估算值λ₁的步骤中，采用傅里叶导热方程和有效热导率计算公式计算得到含能材料密实密度下的热导率估算值λ₁，其中：

傅里叶导热方程为：

上式中，ΔQ为含能材料传递的热量，单位为J；Δt为时间差，单位为s；λ为热导率，单位为W·m^-1·℃^-1；T₁为冷板温度，单位为℃；T₂为热板温度，单位为℃；h为热量传递方向上含能材料的长度，单位为m；A为含能材料截面积，单位为m²；

有效热导率计算公式为：

λ＝λ_空气α+λ₁(1-α)；

上式中，λ空气为空气的热导率，λ_空气＝0.024W·m^-1·℃^-1；α为孔隙率，α＝0.494；λ₁为含能材料密实密度热导率估算值，单位为W·m^-1·℃^-1。

3.如权利要求2所述的测量及修正方法，其特征在于，在根据含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇计算得到修正的堆积含能材料热导率值λ＇时，将含能材料密实密度热导率修正值λ₁＇代入有效热导率计算公式中进行计算得到。

4.如权利要求1-3任一项所述的测量及修正方法，其特征在于，在采用多点测温稳态圆柱体法实验装置测量堆积含能材料传热过程的温度变化步骤中，所述多点测温稳态圆柱体法实验装置包括加热铝板、散热铝板、绝热防护壳、多个温度传感器以及温度记录仪；

所述绝热防护壳为圆筒形结构，顶部为所述加热铝板，底部为所述散热铝板，在所述加热铝板、所述散热铝板以及所述绝热防护壳之间形成用于容置堆积含能材料的密闭空腔；

多个所述温度传感器沿竖直方向间隔分布于所述加热铝板与所述散热铝板之间，用于实时测量所述加热铝板、所述含能材料以及所述散热铝板的温度；

所述温度记录仪连接所述温度传感器，用于记录所述温度传感器测量的温度值。

5.如权利要求4所述的测量及修正方法，其特征在于，所述多点测温稳态圆柱体法实验装置还包括控温仪；

所述控温仪与所述加热铝板连接，用于控制所述加热铝板的加热温度。

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