一种测量不良导体导热系数的方法技术

本发明专利技术公开一种测量不良导体导热系数的方法，它包括如下步骤：建立热传导的边界条件，找到该材料的热传导方程，通过有限元法进行求解，判断该材料的热传导是否有较好的一维热传导性；建立样品的一维稳态傅里叶热传导模型；考虑固体传导漏热、不完全真空状态下的对流漏热、辐射漏热，建立漏热模型，对一维传导模型进行优化；通过秩二拟牛顿法对建立的一维传导模型进行优化，得到最小优化目标函数；通过热源加热片向待测不良导体发出热量，读取多个温度信号，使用小波去噪方法对温度信号进行去噪处理；将步骤5读取的温度数据带入步骤4建立的模型中去，求得物体的导热系数；本发明专利技术提高测量导热系数的精确度和速度。导热系数的精确度和速度。导热系数的精确度和速度。

【技术实现步骤摘要】
一种测量不良导体导热系数的方法


[0001]本专利技术涉及传热学领域中涉及材料热湿物性中导热系数的测量
，具体地指一种测量不良导体导热系数的方法。

技术介绍

[0002]导热系数是材料最重要的热湿物性参数之一，能直接反映材料导热性能的好坏，其与不同领域的材料能耗、应用环境及很多其他热湿过程息息相关。导热系数仅针对存在导热的传热形式，当存在其他形式的热传递形式时，如辐射、对流和传质等多种传热形式时的复合传热关系，复合传热关系通常被称为表观导热系数、显性导热系数或有效导热系数。此外，导热系数是针对均质材料而言的，实际情况下，还存在有多孔、多层、多结构、各向异性材料，此种材料获得的导热系数实际上是一种综合导热性能的表现，也称之为平均导热系数。
[0003]测量不同材料的导热系数在航空航天，海底探测，工业建筑等领域有着极为重要的研究意义。测量导热系数的方法主要分为稳态法与非稳态法，这两个主要方法又有许多分支，如稳态法中的纵向测量法，横向测量法，非稳态法中的周期性测量法与非周期测量法等等。稳态法是目前测量导热系数最长用的方法，它是通过测量样品轴向一维热流大小与样品上下表面温度梯度等参数来测量固体材料的导热系数。
[0004]目前，常用的测量导热系数的方法存在以下问题：采用两端式测量方法，即仅仅测量待测样品上下两端的温度从而求得样品的导热系数，该方法测量时间相对较长，当多次测量取平均值时，将会消耗更多的时间，使物体的导热系数受环境和测量装置的影响较大；没有考虑测量过程中的各种漏热，如：固体传导漏热、不完全真空状态下的对流漏热、辐射漏热对测量物体导热系数的影响，使得测量结果精确度降低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种测量不良导体导热系数的方法，以提高测量导热系数的精确度和速度。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种测量不良导体导热系数的方法，它包括如下步骤：
[0007]步骤1：建立热传导的边界条件，找到该材料的热传导方程，通过有限元法进行求解，判断该材料的热传导是否有较好的一维热传导性；
[0008]步骤2：建立样品的一维稳态傅里叶热传导模型；
[0009]步骤3：考虑固体传导漏热、不完全真空状态下的对流漏热、辐射漏热，建立漏热模型，对一维传导模型进行优化；
[0010]步骤4：通过秩二拟牛顿法对建立的一维传导模型进行优化，得到最小优化目标函数；
[0011]步骤5：通过热源加热片向待测不良导体发出热量，读取多个温度信号，并使用小
波去噪方法对所读取的温度信号进行去噪处理；
[0012]步骤6：将步骤5读取的温度数据带入步骤4建立的模型中去，求得物体的导热系数。
[0013]优选地，步骤1中，固体传热稳态求解方程为：
[0014][0015][0016]式中，d
z
为待测物体的厚度，ρ为待测物体的密度，C
p
为待测物体的比热容，μ为待测样品的分子迁移率，为待测样品的温度梯度，为待测样品的热量梯度，Q为总热量，Q
ted
为底部热量，q为样品在温度梯度下的热辐射通量，k为比例系数，q0为面外热辐射通量；
[0017]考虑到热绝缘方程：
[0018]‑
n
·
q＝0
[0019]n为热通量方向矢量；
[0020]考虑到面外热通量方程：
[0021]q0＝q
0，u
+q
0，d
[0022]q
0，u
＝h
u
(T
ext，u
‑
T)
[0023]q
0，d
＝h
d
(T
ext，d
‑
T)
[0024]式中，q
0，u
为面外横向热辐射通量，q
0，d
为面外纵向热辐射通量；h
u
为横向传热膜系数，h
d
为纵向传热膜系数，T
ext，u
为外部横向温度，T
ext，d
为外部纵向温度，T为热源温度；
[0025]考虑面外辐射方程：
[0026][0027]式中，为横向辐射率，为纵向辐射率,为横向环境温度，为纵向环境温度，是斯蒂芬
‑
玻尔兹曼常数；
[0028]最后建立该物质的热传导方程：
[0029][0030]式中，Δ为失量微分运算符。
[0031]优选地，步骤2中，由单位时间物体的导热量与导热面积A和温度梯度成正比可得：
[0032][0033]上式表明，热导率等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度矢量的模；在笛卡尔坐标系下对于一维稳态导热问题假定热量传递的方向为正向傅里叶导热定律的表达式可以简化为定态传热方程：
[0034][0035]式中温度梯度单位为，表示传热方向上的因距离而引起温度变化的程度大小，其方向垂直于传热面，并以温度增加的方向为正，由于热量传递方向与温度梯度相反，故在式中加一个负号；为热辐射通量；
[0036]采用纵向的稳态热流法，对热传导方程进行化简得：
[0037][0038]对于上式，为导热面积，单位：；为比例系数，热导率，也称为导热系数，单位：；为单位时间内通过样品横截面的热量，单位：。
[0039]优选地，步骤3中，考虑固体传导漏热、不完全真空状态下的对流漏热、辐射漏热，建立漏热模型；
[0040]固体传导漏热方程：
[0041][0042]对于上式，式中，Q
k
为固体传导漏热值；A为传热件的导热面积；L为传热件的长度；T1，T2分别为传热部件的冷、热端温度；λ为传热件的导热系数；
[0043]不完全真空状态下的对流漏热方程：
[0044]Q
gas
＝ηkpA(T
h
‑
T
l
)
[0045]对于上式，Q
gas
为对流漏热值，η为无量纲的适应系数，对于空气取1；p为真空度，Pa；A为导热面积,m2；k为比例系数，对于空气其值为1.2；T
h
为残留气体的平均温度；T
l
为样品温度；
[0046]辐射漏热方程：
[0047][0048][0049]上式中，Q
rad
为辐射漏热值，σ为斯特藩
‑
玻尔兹曼常数，大小为5.67
×
10
‑8W/(m2·
K4)；ε为有效发射系数，无量纲，其中有效发射系数的大小由材质及其当前状态决定；ε1、ε2分别为冷端和热端表面的发射系数；A1、A2分别为冷端和热端的表面积；T
l
、T
h
分别为冷端于热端的平均温度；Ψ为漏热通量；
[0050]由此可对热传导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量不良导体导热系数的方法，其特征在于：它包括如下步骤：步骤1：建立热传导的边界条件，找到该材料的热传导方程，通过有限元法进行求解，判断该材料的热传导是否有较好的一维热传导性；步骤2：建立样品的一维稳态傅里叶热传导模型；步骤3：考虑固体传导漏热、不完全真空状态下的对流漏热、辐射漏热，建立漏热模型，对一维传导模型进行优化；步骤4：通过秩二拟牛顿法对建立的一维传导模型进行优化，得到最小优化目标函数；步骤5：通过热源加热片向待测不良导体发出热量，读取多个温度信号，并使用小波去噪方法对所读取的温度信号进行去噪处理；步骤6：将步骤5读取的温度数据带入步骤4建立的模型中去，求得物体的导热系数。2.根据权利要求1所述的一种测量不良导体导热系数的方法，其特征在于：步骤1中，固体传热稳态求解方程为：体传热稳态求解方程为：式中，d
z
为待测物体的厚度，ρ为待测物体的密度，C
p
为待测物体的比热容，μ为待测样品的分子迁移率，为待测样品的温度梯度，为待测样品的热量梯度，Q为总热量，Q
ted
为底部热量，q为样品在温度梯度下的热辐射通量，k为比例系数，q0为面外热辐射通量；考虑到热绝缘方程：
‑
n
·
q＝On为热通量方向矢量；考虑到面外热通量方程：q0＝q
0，u
+q
0，d
q
0，u
＝h
u
(T
ext，u
‑
T)q
0，d
＝h
d
(T
ext，d
‑
T)式中，q
0，u
为面外横向热辐射通量，q
0，d
为面外纵向热辐射通量；h
u
为横向传热膜系数，h
d
为纵向传热膜系数，T
ext，u
为外部横向温度，T
ext，d
为外部纵向温度，T为热源温度；考虑面外辐射方程：式中，ε
u
为横向辐射率，ε
d
为纵向辐射率,T
amb，u
为横向环境温度，T
amb，d
为纵向环境温度，σ是斯蒂芬
‑
玻尔兹曼常数；最后建立该物质的热传导方程：式中，Δ为失量微分运算符。3.根据权利要求1所述的一种测量不良导体导热系数的方法，其特征在于：步骤2中，由单位时间物体的导热量与导热面积A和温度梯度成正比可得：
上式表明，热导率等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度矢量的模；在笛卡尔坐标系下对于一维稳态导热问题假定热量传递的方向为正向傅里叶导热定律的表达式可以简化为定态传热方程：式中温度梯度单位为K
·
m
‑1，表示传热方向上的因距离而引起温度变化的程度大小，其方向垂直于传热面，并以温度增加的方向为正，由于热量传递方向与温度梯度相反，故在式中加一个负号；Φ为热辐射通量；采用纵向的稳态热流法，对热传导方程进行化简得：对于上式，A为导热面积，单位：m2；λ为比例系数，热导率，也称为导热系数，单位：W
·
m
‑1·
K
‑1；P为单位时间内通过样品横截面的热量，单位：W。4.根据权利要求1所述的一种测量不良导体导热系数的方法，其特征在于：步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建安，李嘉祺，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：