本發(fā)明涉及多孔介質(zhì)傳熱特性測量，尤其涉及一種自動控溫測定多孔介質(zhì)傳熱特性的測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、多孔介質(zhì)中的熱傳遞過程已經(jīng)廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)境和工程熱力學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域，是巖土工程中的隧道、地下儲熱等以及建筑地基熱傳遞等實際工程應(yīng)用中的典型傳熱問題。而多孔介質(zhì)作為巖土工程中常見的媒介，其熱傳遞過程的分析對于建筑熱力學(xué)的研究和應(yīng)用有著重要意義。

2、在許多應(yīng)用場合涉及到多孔介質(zhì)的的傳熱特性及其導(dǎo)熱系數(shù)的確定。然而，多孔介質(zhì)內(nèi)的熱傳遞不僅與固、氣相（液相）介質(zhì)本身的特性有關(guān)，還與多孔介質(zhì)中的孔隙結(jié)構(gòu)、排列方式等有關(guān)，再加上除考慮各相之間的熱傳導(dǎo)作用外，熱輻射傳熱帶來的影響也不可忽略，當存在流體流動時，還需考慮對流換熱的影響。因此，多孔介質(zhì)的熱傳遞中往往是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種共同作用，但三種傳熱方式的傳熱占比在不同傳熱環(huán)境過程中存在較大差別，這將導(dǎo)致對多孔介質(zhì)的傳熱特性和機理的分析存在差別。

3、目前對于多孔介質(zhì)的傳熱特性分析多以模型的建立和計算為主，在多孔介質(zhì)傳熱特性試驗中也主要考慮熱傳導(dǎo)以及熱對流作用。而由于多孔介質(zhì)其比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，該原因?qū)е略囼炛兄庇^地觀測和分析多孔介質(zhì)內(nèi)的傳熱過程變得困難。測試過程以熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱系數(shù)為主，多孔介質(zhì)傳熱過程中的對流換熱和熱輻射傳熱影響分析不足，難以揭示出多孔介質(zhì)中傳熱過程的作用機理與規(guī)律。因此，在研究和應(yīng)用中采取更準確描述多孔介質(zhì)傳熱過程的方法是急需的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供一種自動控溫測定多孔介質(zhì)傳熱特性的測量裝置及方法，不僅能夠測量多孔介質(zhì)在不同工況環(huán)境溫度情況下傳熱過程，還能在不同溫度的熱傳遞過程測量三種傳熱方式的傳熱占比，對于多孔介質(zhì)中傳熱過程的作用機理與規(guī)律的研究起到重要作用。另外，本發(fā)明的目的在于提供一種自動控溫測定多孔介質(zhì)傳熱特性的測量裝置及方法，能夠不受外界氣流和環(huán)境溫度等不穩(wěn)定因素的影響。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種自動控溫測定多孔介質(zhì)傳熱特性的測量裝置及方法，所述方法包括以下幾個步驟：

3、s1、多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)測量原理基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)法；

4、s2、多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱過程判別是否產(chǎn)生對流；

5、s3、設(shè)計試驗測量裝置實現(xiàn)多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)測定；

6、s4、計算多孔介質(zhì)傳熱過程中有效導(dǎo)熱系數(shù)；

7、s5、計算多孔介質(zhì)傳熱過程中熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射傳熱占比。

8、進一步的，在步驟s1中，多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)測量原理基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)法：

9、；

10、式中：為有效導(dǎo)熱系數(shù)； t為溫度； t為時間；為固相體積熱容；為空氣比熱容；為空氣體積熱通量。

11、進一步的，多孔介質(zhì)的傳熱過程中熱輻射換熱流動方向與熱傳導(dǎo)的流動方向相同，熱輻射傳熱問題簡化為依賴溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)的熱傳導(dǎo)問題：

12、；

13、式中：為熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)，為熱輻射導(dǎo)熱系數(shù)。

14、進一步的，步驟s2具體包括：

15、步驟s201、根據(jù)頂?shù)装鍦囟仍O(shè)定判斷多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱過程是否產(chǎn)生對流，多孔介質(zhì)層內(nèi)部發(fā)生自然對流的判別參數(shù)為瑞利數(shù) ra，其計算公式為：

16、?；

17、式中：為空氣的密度；為體積熱膨脹系數(shù)； g為重力加速度；為多孔介質(zhì)滲透率； h為實際試樣裝填高度；為介質(zhì)底板頂板溫差；為動力粘度；為熱擴散系數(shù)；

18、步驟s202、存在一個臨界瑞利數(shù)，當時，多孔介質(zhì)處于穩(wěn)定的單純熱傳導(dǎo)狀態(tài)，而當時，多孔介質(zhì)中將產(chǎn)生自然對流；對于長高比為，寬高比為，六面均封閉，下邊界溫度高于上邊界，側(cè)面絕熱的三維長方體多孔介質(zhì)區(qū)域，臨界瑞利數(shù)的計算公式為：

19、；

20、；

21、式中， l，m，n?分別為多孔介質(zhì)區(qū)在鉛垂高度、水平長度和水平寬度方向的胞格數(shù)。

22、進一步的，步驟s3設(shè)計試驗測量裝置實現(xiàn)多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)測定：

23、所述測量裝置包括設(shè)定溫度的恒溫循環(huán)器、連接恒溫循環(huán)器和溫控流體的軟管、控制頂?shù)装鍦囟鹊牟讳P鋼板和鋁板、溫控流體流通的銅管、框架主體、頂?shù)缀蛡?cè)面保溫層均采用聚氨酯保溫板、聚氨酯發(fā)泡填縫劑、頂部聚氨酯蓋板、銅管進出口、傳感器開孔、溫度傳感器、熱通量傳感器、熱輻射傳感器、風速傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算系統(tǒng)。

24、進一步的，所述框架主體呈長方體狀；所述保溫層采用聚氨酯保溫板對框架主體封閉并用聚氨酯發(fā)泡填縫劑進行填縫密封處理，聚氨酯保溫板厚度為10cm；所述框架主體完成密封后在聚氨酯保溫板上進行銅管進出口和傳感器連接處進行開孔，開孔處采用聚氨酯發(fā)泡填縫劑進行填縫密封處理。

25、進一步的，所述測量裝置的控溫頂板由上夾板不銹鋼板、下夾板鋁板、溫控流體流通的銅管組成；控溫底板由上夾板鋁板、下夾板不銹鋼板、溫控流體流通的銅管組成；溫控流體流通的銅管按u型連接等距離均勻鋪設(shè)至不銹鋼板上，進出口均設(shè)置在同一水平面并由穿過的聚氨酯保溫板中；不銹鋼板長寬為、鋁板長寬為、銅管為直徑為16mm的紫銅盤管。

26、進一步的，所述測量裝置的溫度傳感器布置每一測溫平面包含15個溫度傳感器，頂?shù)卓販匕甯靼粋€測溫平面分布，中心處的測溫平面根據(jù)實際試驗裝填高度均勻分布；熱通量傳感器布置在底部控溫板的中心位置處，另兩個分別位于底部控溫板邊界處；熱輻射熱通量傳感器布置于實際框架中心位置處；風速傳感器布置在中心水平面處，該平面處布置9個風速傳感器，另兩個水平面分別布置在上下的兩個測溫平面之間。

27、進一步的，步驟s4具體包括：

28、有效導(dǎo)熱系數(shù)計算公式為：

29、；

30、式中， q為內(nèi)部穩(wěn)態(tài)分布后底部熱通量監(jiān)測值； h為實際試樣裝填高度；為內(nèi)部穩(wěn)態(tài)分布后頂部控溫板表面的測溫點平均值；為內(nèi)部穩(wěn)態(tài)分布后底部控溫板表面的測溫點平均值。

31、進一步的，步驟s5具體包括：

32、步驟s501、兩相多孔地質(zhì)材料的固-流體組合的結(jié)構(gòu)對地質(zhì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，熱傳導(dǎo)項導(dǎo)熱系數(shù)的計算公式為：

33、；

34、式中：為固相的導(dǎo)熱系數(shù)；為液相的導(dǎo)熱系數(shù)； n為孔隙率； φ為結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)驗系數(shù)，當，天然土壤顆粒、碎石顆粒和沉積巖結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)驗系數(shù)分別為0.81、0.54、0.34,?當時適用三種材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)驗系數(shù)；

35、步驟s502、無明顯自然對流效應(yīng)情況下多孔介質(zhì)傳熱過程中熱輻射項導(dǎo)熱系數(shù)計算公式：

36、；

37、步驟s503、無明顯自然對流效應(yīng)情況下多孔介質(zhì)傳熱過程中熱傳導(dǎo)、熱輻射傳熱占比：

38、;

39、；

40、式中：為多孔介質(zhì)傳熱過程中某一項傳熱占總傳熱占比；

41、步驟s504、明顯自然對流效應(yīng)情況下多孔介質(zhì)傳熱過程中熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射傳熱占比：

42、；

43、；

44、。

45、本發(fā)明的有益效果在于：

46、通過該測量裝置及方法能夠不受外界氣流和環(huán)境溫度等不穩(wěn)定因素的影響建立穩(wěn)定的溫度場以達到熱通量和內(nèi)部溫度的穩(wěn)定。在測定過程中，結(jié)合多孔介質(zhì)應(yīng)用環(huán)境中的溫度進行設(shè)計不同溫度工況以及根據(jù)多孔介質(zhì)層內(nèi)部發(fā)生自然對流的判別參數(shù)瑞利數(shù)以及風速傳感器監(jiān)測是否產(chǎn)生對流效應(yīng)。通過固-流體組合計算熱傳導(dǎo)項，從而表示出熱輻射項。另外在不同溫度的熱傳遞過程測量出三種傳熱方式的傳熱占比，有助于研究多孔介質(zhì)中傳熱過程的作用機理與規(guī)律。