热物性测试中的导热问题

1、 第6章 热物性测试中的导热问题主要内容主要内容热物性测试概述常功率平面热源法热线法激光脉冲法瞬态平面热源法123451.11.1导热系数的测量方法导热系数的测量方法按导热过程稳态法非稳态法瞬态法准稳态法按试样形状和种类平板法棒状试样法圆筒法圆球（椭球）法1.21.2导热的正反问题导热的正反问题正反问题导热正问题：从导热微分方程出发，根据一组完整的定解条件，求解温度场，并进而求得热流。导热反问题：已知部分温度场，需要确定几何条件、物理条件、边界条件或初始条件中的一些未知条件。 测定热物性的技术方法：求得一个特定的导热正问题的解；设计一套实验装置，尽可能满足该问题的定解条件；测定试样中的温度或热

2、流；根据温度场的解以及测得的温度值，求得温度场解中的参数。1.31.3稳态和非稳态方法的优缺点稳态和非稳态方法的优缺点原 理优 点缺 点适用范围稳态法稳定传热过程中，传热速率等于散热速率。原理简单、计算方便难以满足稳态要求；测试装置复杂；测试时间长。低导热系数材料非稳态法利用测试样品的温度分布随时间的变化关系，计算得出。测试时间短、测试装置简单、测试参数范围扩大涉及复杂的非稳态导热问题，对数据采集和处理要求高。高导热系数或高温条件下的测量 1.41.4热物性测试技术的动向热物性测试技术的动向1研制对不同温度和状态以及不同物质的各种测试方法和装置。2测试的准确度和精度不断提高，功能不断扩大，试样

3、尺寸和体积明显减小。3对实际工程零部件的热物性进行直接的现场非破坏性的测试和检测。2.12.1常功率平面热源法常功率平面热源法测试测试原理原理0 x0 xtt0t t2.22.2常常功率平面热源功率平面热源法数学模型法数学模型2.32.3不同位置过余温度随时间的变化不同位置过余温度随时间的变化不同位置过余温度随时间的变化如下所示2.42.4常常功率平面热源功率平面热源法装置简图法装置简图2.52.5导热系数的求解导热系数的求解2.62.6常常功率平面热源功率平面热源法法优缺点优缺点3.13.1热线法热线法测试原理测试原理 测试原理 用一根细长的金属丝作为线热源夹在两块试材中或埋在松散材料中，金

4、属丝通电以恒定的功率加热，记录金属丝的升温过程，求得材料的导热系数。热线法中较常用的有交叉热线法、平行热线法和热线比较法。交叉热线法原理图3.23.2热线法热线法数学模型数学模型3.33.3热线法模型的解热线法模型的解3.33.3热线法模型的解热线法模型的解3.33.3热线法模型的解热线法模型的解 根据公式6-3-3，可得线热源的温升与时间的关系，如下所示3.43.4热线法热线法优缺点优缺点4.14.1激光脉冲法激光脉冲法优缺点优缺点 （1）优点 测试的材料种类广泛； 测试的温度范围广； 试样尺寸小； 测试速度快； 测试功能强。 （2）缺点 不适合测试低导热系数的材料； 设备昂贵； 存在不能完

5、全满足物理模型的边界条件。 4.24.2激光激光脉冲脉冲法测试原理法测试原理 采用圆盘形的试样，放置在一个抽成真空可控温度的实验小室里。实验开始时试样内部与周围环境达到温度的平衡，然后对试样的一个表面用激光脉冲施加一定能量，同时用红外测温设备检测并记录试样背面的温度响应，由此计算得到热扩散率。激光脉冲法测量原理图4.34.3激光激光脉冲脉冲法物理模型假设法物理模型假设 激光脉冲法最基本的物理模型假设： 忽略试样侧面、支架引起的散热损失，且激光脉冲的能量在试样表面均匀分布。这样，可认为试样中维持一维导热。 忽略试样两个端面的散热损失，即假设两个端面均保持绝热。 激光脉冲的持续时间远小于试样达到热

6、平衡的 时间，即假设激光脉冲的持续时间是无限短，把激光脉冲的能量看成瞬时热源。4.44.4激光脉冲法激光脉冲法数学模型数学模型4.44.4激光脉冲法激光脉冲法数学模型数学模型4.54.5激光脉冲法激光脉冲法模型的解模型的解4.54.5激光脉冲法模型的解激光脉冲法模型的解4.54.5激光脉冲法模型的解激光脉冲法模型的解4.64.6激光激光脉冲脉冲法假设条件的改进法假设条件的改进4.64.6激光激光脉冲法假设条件的改进脉冲法假设条件的改进 对“瞬时”脉冲假设的改进，即假设激光脉冲能量是在有限长时间段内释放的，其功率随时间的变化可以用两个线性函数表示，如右图所示。F00Ft0b04.64.6激光脉冲

7、法假设条件的改进激光脉冲法假设条件的改进 由几种不同模型可计算得到的试样背面随时间的变化，结果如下图所示。5.15.1瞬态平面热源法优缺点瞬态平面热源法优缺点 （1）优点 测试的材料种类广泛； 测试的导热系数范围大； 测试时间短； 测试精度高； 测试的试样小，试样制备简单。 （2）缺点 最高测试温度不超过700； 5.25.2瞬态平面热源法测试瞬态平面热源法测试原理原理 在瞬态平面热源法中，先把探头放置在两片试样中间，形成夹层结构，然后探头以恒定功率加热试样，通过测试探头中平均温度随时间的变化，就可以得出试样的导热系数和热扩散率。测试结构如下图所示。瞬态平面热源法测量结构图5.35.3瞬态平面热源法物理模型瞬态平面热源法物理模型假设假设 当试样试样被看作是无限大介质时，加热过程中只有探头和试样之间的交换，可看作是有限尺度的面热源在无限大介质中的导热过程，形成的温度场可用格林函数法来求解。在基本物理模型中采用了以下假设。 与圆盘形热源相比，试样看作无限大物体。 忽略圆盘热源的厚度和热容。 圆盘形热源均匀发热且功率保持不变。5.45.4瞬态瞬态平面热源法平面热源法数学模型数学模型5.55.5瞬态平面法模型的解瞬态平面法模型的解5.55.5瞬态