本發(fā)明涉及一種多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)測量方法，屬于多孔介質(zhì)傳熱領域。

背景技術：

多孔介質(zhì)材料由固體骨架與孔隙構成，其導熱問題一直備受關注，固體骨架導熱系數(shù)很難直接測量且孔隙結構影響熱量的傳輸。多孔材料的傳熱不僅涉及到流體與固體之間熱傳導，還涉及到對流換熱，在溫度較高時，還要考慮熱輻射作用，傳熱機制十分復雜。多孔材料的傳熱過程是導熱、對流、輻射的綜合作用過程。這一綜合傳熱過程可以用等效導熱系數(shù)來表達。在國內(nèi)外諸多研究中，多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)采用參考值或通過數(shù)值計算，在實際過程中，導熱系數(shù)會隨溫度發(fā)生變化，參考值較為不準確，數(shù)值計算工作量較大，而且易與實際過程產(chǎn)生較大偏差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于利用實驗結合有限元模擬準確地測量計算多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)。

本發(fā)明是通過下述方案予以實現(xiàn)的：

一種多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)測量方法，其特征在于：所述多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)測量方法具體過程為：

步驟一，取部分待測多孔介質(zhì)(1)，利用浸泡介質(zhì)法測量計算樣品真體積，利用真密度儀測量計算待測樣品密度，再計算樣品真密度；

步驟二，基于有限元APDL模擬，采用ANSYS軟件中的APDL程序，孔隙率取值范圍為5-50％，將孔隙隨機分配到固體中形成固體骨架。將固體骨架和空氣的導熱系數(shù)進行賦值，固體骨架導熱系數(shù)從1-60W·m^-1·K^-1分別取值；空氣導熱系數(shù)取室溫至最高溫度的平均值進行傳熱過程計算，擬合數(shù)據(jù)后得到在不同孔隙率下等效導熱系數(shù)隨固體導熱系數(shù)變化的關系；

步驟三，取部分待測樣品按照熱分析實驗要求加工成為相應試樣(2)，稱量并計算試樣孔隙率(1-質(zhì)量/體積/真密度)；測量(2)等效導熱系數(shù)，線性擬合后得到隨溫度變化曲線及表達式；

步驟四，將步驟三所得等效導熱系數(shù)帶入步驟二模擬數(shù)據(jù)中，得到該孔隙率下的固體導熱系數(shù)，并根據(jù)該固體導熱系數(shù)計算出該多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)隨孔隙率變化的關系。

如果步驟三所測的等效導熱系數(shù)為溫度的函數(shù)，最終所得等效導熱系數(shù)隨溫度變化的表達式也是溫度的函數(shù)，即可得到等效導熱系數(shù)隨溫度、孔隙率變化的函數(shù)關系。

模擬中改變空氣導熱系數(shù)數(shù)值，等效導熱系數(shù)結果幾乎沒有變化，因此可忽略溫度對空氣導熱系數(shù)的影響。

進一步，以某鋼廠為例，有限元模型尺寸為10mm×10mm×5mm，劃分單元為邊長0.5mm的正方體，空氣導熱系數(shù)取值為室溫至800℃的平均值0.04W·m^-1·K^-1，除上下表面外均為絕熱條件。

步驟三，取部分待測樣品按照熱分析實驗要求加工成為相應試樣，稱量并計算試樣孔隙率(1-質(zhì)量/體積/真密度)；測量其等效導熱系數(shù)，線性擬合后得到隨溫度變化曲線及表達式；

步驟四，將步驟三所得等效導熱系數(shù)帶入步驟二模擬數(shù)據(jù)中，得到該孔隙率下的固體導熱系數(shù)，并根據(jù)該固體導熱系數(shù)計算出該多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)隨孔隙率變化的關系。如果步驟三所測的等效導熱系數(shù)為溫度的函數(shù)，最終所得等效導熱系數(shù)隨溫度變化的表達式也是溫度的函數(shù)，即可得到等效導熱系數(shù)隨溫度、孔隙率變化的函數(shù)關系。

該方法適用對象為大多數(shù)非致密多孔介質(zhì)，孔隙率小于50％。

比較現(xiàn)有的計算有效導熱系數(shù)的方法，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、實驗與模擬計算相結合的方法，得到了更加符合實際的多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)變化規(guī)律；

2、所得結果與文獻中實際導熱系數(shù)誤差控制在10％左右；

3、該方法適應范圍較廣，大多數(shù)非致密多孔介質(zhì)均可用該方法測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中計算方法流程圖

圖2為固體導熱系數(shù)20W·m^-1·K^-1、孔隙率40％熱流密度分布(單位W·m^-2)

圖3為等效導熱系數(shù)測試結果擬合曲線

圖4為改變空氣導熱系數(shù)等效導熱系數(shù)與固體骨架導熱系數(shù)的關系

圖5為等效導熱系數(shù)隨孔隙率、固體導熱系數(shù)變化關系擬合

具體實施方式

以下將結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，一種多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)測量方法，基于ANSYS軟件中的APDL程序，采用有限元數(shù)值模擬的方法對模型進行傳熱過程計算，對多孔材料的孔隙結構按體積孔隙隨機分配，分析多孔材料模型等效導熱系數(shù)與孔隙率之間的關系。采用真密度儀測得多孔介質(zhì)的真密度，利用激光閃射法測量某孔隙率下多孔介質(zhì)的導熱系數(shù)，結合有限元模擬結果，計算得到不同溫度下的多孔介質(zhì)等效導熱系數(shù)。

如圖2所示采用有限元數(shù)值模擬的方法對模型進行傳熱過程計算，對多孔材料的孔隙結構按體積孔隙隨機分配(0-50％)，圖為孔隙率隨機分配40％。

如圖3所示采用熱分析實驗對待測樣品進行的導熱系數(shù)測試，得到該孔隙率下待測樣品等效導熱系數(shù)。

如圖4所示為排除孔隙中空氣對于導熱系數(shù)測量的影響，特此在模擬中改變空氣導熱系數(shù)數(shù)值，結果表明改變空氣導熱系數(shù)固體等效導熱系數(shù)沒有變化，因此可忽略溫度對空氣導熱系數(shù)的影響。

如圖5所示利用實驗與模擬計算相結合的方法，得到等效導熱系數(shù)與孔隙率和固體導熱系數(shù)回歸分析圖，從圖中可得到該種材料不同孔隙率在一定溫度范圍內(nèi)等效導熱系數(shù)變化規(guī)律。