（热能工程专业论文）含湿多孔介质导热系数测量准确性实验研究及机理分析.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 本文探讨含湿多孔介质导热系数的测试准确性及其影响因素。利用实验测量堆积 型多孔介质在不同含湿率时的导热系数，并深入观察和认识孔隙内水分形态、分布及 加热时水分演化过程，揭示其与导热系数测量相对误差之间的内在联系。同时在实验 基础上，建立了模型描述骨架结构及物理属性对水分分布形式的影响，该模型可用于 确定水分形态及分布转变时的临界含湿率。结合骨架与水分形态及分布相互作用和影 响的实验及机理分析，确定导热系数测量准确性与多孔介质骨架物理属性、含湿率等 的内在关系。 利用h o t d i s k 热常数分析仪测量不同粒径堆积型不锈钢珠、玻璃珠和砂子导热系 数，分析其导热系数测试结果重复性以及与含湿率之间的关系。结果表明，当不锈钢 珠、玻璃珠和砂子含湿率分别低于5 0 、3 5 和2 5 时，含湿介质导热系数较难准确 测量；当含湿率大于此值时，含湿介质导热系数容易准确测量。 利用高速c c d 结合体视显微镜细致观察和分析非饱和含湿情况下试样内部的水分 形态及分布并分析其与导热系数测试准确性之间的关系。堆积型不锈钢珠含湿率低于 5 0 、堆积型玻璃珠含湿率低于3 5 和堆积型砂子含湿率低于2 5 时，孔隙内水分主 要以骨架狭缝处液桥形式存在：此时探头加热过程中，含湿堆积型多孔介质由于水分 的蒸发扩散，使得探头周围的试样成分持续发生变化，导致与测试过程中试样构成恒 定的假设不符，因此有效导热系数很难准确测量。堆积型不锈钢珠含湿率高于5 0 、 堆积型玻璃珠含湿率高于3 5 和堆积型砂子含湿率高于2 5 时，颗粒间水分联通；所 以在探头加热过程中，含湿堆积型多孔介质虽然也有水分的蒸发扩散但在毛细回流作 用下试样内部较远处水分会及时补充水分减少区域，维持试样的稳定，因此有效导热 系数可准确测量。综合实验测量结果和观察现象，本文认为导热系数的测量准确度受 孔隙内水分形态及分布的影响。 针对非饱和含湿堆积型多孔介质不同试样孔隙内水分状态分界点对应含湿率值不同 的现象从孔隙尺度进行分析研究发现，不同试样孔隙内水分呈孤立液桥或相互联通的水 团两种不同形态的分界点时对应的含湿率是颗粒表面接触角口的单值函数；不锈钢和玻璃 表面的接触角值分别为7 2 5 0 和3 6 6 0 ，并结合接触角与临界含湿率的关系得到不锈钢珠临 界含湿率为4 8 6 、玻璃珠临界含湿率为3 5 4 。通过实验与数学模型比较推断，水分在 多孔介质骨架表面接触角决定不同含湿率时试样孑l 隙内水分形态，而水分形态及分布影 山东建筑大学硕士学位论文 响试样有效导热系数测量的准确性。接触角越大，孔隙内水分呈孤立液桥时上限含湿率 越大，即多孔介质有效导热系数较易准确测量的下限含湿率越大 关键词 多孔介质，含湿，导热系数，准确性，测量 山东建筑大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dm e c h a n i s ma n a l y s i so f t h e r m a l c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fw e tp o r o u sm e d i a l i uy u w a n g ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d 椭e d b yy um i n g z h i a b s t r a c t t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fp o r o u sm e d i aw i t hd i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n th a db e e n m e a s u r e d ，a n dt h ea c c u r a c ya n dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r sh a db e e ns t u d i e d b e s i d e s ，as e r i e so f e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n sw c l ec o n d u c t e df o rf u l l yu n d e r s t a n d i n gt h ep o r es c a l ew a t e r m o r p h o l o g y , d i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o ni np o r o u sm e d i aa n dr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h e r ei s s o m ec e r t a i ni n h e r e n tr e l a t i o n s h i pb 咖e e nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n tr e l a t i v e e r r o ra n dp o r ew a t e rm o r p h o l o g i e s am o d e lh a sb e e nf o r m u l a t e dt od e s c r i b et h ei n f l u e n c eo f p o r o u sm e d i am a t r i xs t r u c t u r ea n dp o r ew a l lt h e r m a lp r o p e r t i e so np o r es c a l ew a t e r p o r p h o l o g i e s t h i sm o d e lc a nd e t e r m i n et h ec r i t i c a lt r a n s f o r m a t i o nm o i s t u r ec o n t e n to ft h e w a t e rm o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o ni np o r e s b ye x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， t h ei n f l u e n t i a lm e c h a n i s mo fm a t r i xp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dm o i s t u r ec o n t e n to nw e tp o r o u s m e d i at h e r m a lc o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n ta c c u r a c yh a sb e e nr e v e a l e d t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fp i l e ds t a i n l e s ss t e e lb e a d s ，g l a s sb e a d sa n ds a n d sw i t h d i f f e r e n tp a r t i c l es i z eh a db e e nm e a s u r e db yah o td i s kc o n s t a n ta n a l y z e r t h er e p e a t a b i l i t y a n dr e l a t i v ee r r o ro ft h em e a s u r e dv a l u e sa n da l s ot h e i rv a r i a t i o nv e r s u et h em o i s t u r ec o n t e n t h a db e e na n a l y s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t i e so fs a m p l e sw i t h r e l a t i v e l yh i g hw a t e rc o n t e n ta l ee a s yt ob em e a s u r e dc o r r e c t i v e l yb u tv e r yd i f f i c u l tf o rt h e s t a i n l e s ss t e e lb e a d s ，g l a s sb e a d sa n ds a n d sw i t ht h em o i s t u r ec o n t e n tl e s st h a n5 0 ，3 5 a n d2 5 r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sw e r ea l s oc o n d u c t e dt ov i s u a l l yo b s e r v ew a t e r m o r p h o l o g y ，d i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o np e r f o r m a n c ei np o r e sr e s p e c t i v e l yb yac c d c o m b i n e dw i t ham i c r o s c o p ea n dt h o ra f f e c t i o nt ot h et e s tr e s u l t so ft h et h e r m a l c o n d u c t i v i t ym e a s u r i n gb a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t sw e r ea n a l y s e d m o s to ft h ew a t e r e x i s t sa ss e p e r a t e dl i q u i db r i d g e sa m o n g p a r t i c l e si nt h ep o r o u sm e d i a w h e nm o i s t u r ec o n t e n t i sl e s st h a n5 0 ，35 a n d2 5 f o rc u m u l a t es t a i n l e s ss t e e lb e a d s ，s i l v e rb e a d sa n ds a n d s 山东建筑大学硕士学位论文 r e s p e c t i v e l y d u et ot h es e n s o rh e a t i n g , w a t e re v a p o r a t e sa n dt r a n s p o r tp r o c e s s e sd i f f u s ei n t h ep o r e sn e a rt h es e n s o r a sar e s u l t , t h ep r o p e r t i e so ft h i sr e g i o nb e c o m ed i f f e r e n tf r o m t h e i ro r i g i n a l s s ot h em e a s u r e dt h e r m a lc o n d u c t i v i t i e sa r en o tt h er e a lv a l u eo ft h ew e t s a m p l ei ni t so n g i n a ls t a t e a sc o n t r a s t , t h ew a t e r _ _ m o s t l ye x i s t sa sw a t e rm a s s e si nt h ep o r o u s m e d i aw h e nm o i s t u r ec o n t e n ti sh i g h e rt h a nt h ev a l u e , t h o u g ht h ew a t e re v a p o r a t e sn e a rt h e h e a t i n gr e s o u r c e , t h en e a rh e a t i n gs o u r c ep o r e sa l ec o m p l e m e n t e da ss o o na st h ew a t e r d r i v e nb a c kf r o mt h er e l a t i v e l yf a rp o r e sb yt h ec a p i l l a r yf o r c e s ot h ec o n c c tt h e r m a l c o n d u c t i v i t yc a nb em e a s u r e de a s i l y a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d p h e n o m e n a ，w ec a nc o n s i d e rt h a tm o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o no fp o r ew a t e rh a s e f f e c t e dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t y t h er e a s o nw h yd i f f e r e n tp o r o u sm e d i ah a v ed i f f e r e n tc r i t i c a lm o i s t u r ec o n t e n tf o r t h e r m a lc o n d u c t i v i t yc a nb em e a s u r e dc o r r e c t i v e l yh a sa l s ob e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s t h e c r i t i c a lm o i s t u r ec o n t e n ti sas i n g l e - v a l u ef u n c t i o no ft h ew a t e rc o n t a c ta n g l eo np a r t i c l e s u r f a c e t h ec o n t a c ta n g l e so fw a t e ro nt h es t a i n l e g ss t e e la n dg l a s ss u r f a o ga r e7 2 5 0a n d 3 6 6 0r e s p e c t i v e l y , s ot h el a r g e s tm o i s t u r ec o n t e n t sf o rw a t e rm o s t l ye x i s ta si s o l a t e dl i q u i d b r i d g e sa r e4 8 6 a n d3 5 4 i n d i c a t e db yt h em o d a lf o r m u l a t e di nt h i st h e s i s c o m p a r i s o n b e t w e e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e ls h o w e st h a tt h ew a t e rc o n t a c ta n g l e o np o r o u sm e d i am a t r i xs u r f a c ed e t e r m i n e sw a t e rm o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o ni np o r e sa t c e r t a i nm o i s t u r ec o n t e n t , a n dw a t e rm o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o nt h e na f f e c tm o a s u r e m e n t a c c u r a c yo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t y t h el a r g e rt h ec o n t a c ta n g l e i s ，t h eh i g h e ru p p e rw a t e r c o n t e n tl i m i tt h a tt h ew a t e re x i s t sa si s o l a t e dl i q u i db r i d g e si s ，i e t h eh i g h e rt h el o w e rw a t e r c o n t e n tl i m i tt h a tt h ew e tp o r o u sm e d i ac a nb ee a s i l ym e a s u r e dc o r r e c t l yi s k e yw o r d s ：p o r o u sm e d i a , w e t ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , a c c u r a c xm e a s u r e m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明 学位论文作者签名： 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 多孔介质是由固体骨架和流体组成的一类复合介质，它构成了地球生物圈的物质 基础。特别是含湿多孔介质广泛存在于自然界、人类生产和生活等各个领域中，对人 类生存与发展有着不可忽视的重要影响。随着化工、能源、原子能、航空与航天、热 管、高温冷却、强化传热等近代工程技术的发展以及近代工农业生产的全面进步，又 提出了大量更为复杂的多孔介质传递过程问题，从而更进一步促进了多孔介质传递科 学的各种研究，使其成为当今世界科学技术发展长河中令人瞩目的热点。无论从历史 发展还是到实际需要，多孔介质传递学科的形成已成为必然趋势【。因此多孔介质传热 传质研究对于改造自然、造福人类具有重要的理论意义。 从多学科交叉研究的角度看，多孔介质传递学科内容涉及到渗透原理、毛细理论、 微孔弯曲通道多相流理论、微孔相交理论、不可逆热力学、流体动力学、表面学和实 验与模拟原理与方法等学科研究以及主要包括环境科学、生物技术、化学工程、能源、 材料、医学、农业工程和仿生学等新兴技术领域研究【2 】。因此多孔介质传递学科研究是 一项能够积极促进学科发展、具有重大学术价值的前沿工作。 笼统的说，大部分材料都属于多孔介质，但对于多孔介质的定义与分类，也随研 究目的、要求之不同而有所差异。文献【l 】综合各种多孔介质的结构特征，对多孔介质的 含义规定如下：多孔介质是多相物质共存的一种组合体；相对于其中任一相来说，其 它相均弥散在其中。多孔介质由称为固体骨架的固体相和固体骨架之间的孔隙组成， 其中孔隙由液体或气( 汽) 体或气液两相占据。固体骨架分布于多孔介质占据的整个 空间内，固体骨架之间的孔隙分为有效孔隙和死端孔隙( 如图1 1 ) 前者是指多孔介 质中相互联通的孔隙，在其中流体可从多孔介质的一端渗透到另一端，后者是指多孔 介质中虽联通但流体很难流通以及互不联通的孔隙。 图1 1 孔隙结构示意图 山东建筑大学硕士学位论文 当多孔介质中没有固体骨架的孔隙被液体或气液两相占有时，多孔介质就成为含 湿多孔介质。含湿多孔介质热物性参数及其测试在研究与工程领域应用十分广泛。就 精确测定材料热物性来说，常常是科学研究与工程设计的基础。含湿多孔材料和多孔 介质的热湿迁移特性数据主要包括导热系数、热扩散系数、质扩散系数、渗透率、热 质扩散系数等。其中多孔介质有效导热系数作为多孔介质内传热传质过程的最重要的 热物性参数，表征着物质导热能力的大小，是衡量材料热物理性质的一个重要参数， 关系到材料在各个领域的应用，在建筑、纺织能源、材料、环境、化工、生物、农业、 食品等领域，含湿材料导热系数的精确测量越来越为人们所关心【3 4 1 。例如研究气候变 化对农作物和植被生长、土壤冻融等问题需要确定含湿土壤的热物性参数，其他如食 品加工、蔬菜脱水、烟草处理、物品干燥、铸造等也需要准确测量含湿多孔介质的热 物性参数。但因为含湿多孔介质热湿迁移机制的多样性以及结构的复杂性，使得热物 性参数的测试过程十分复杂而且测试结果精度不高【5 】。所以作为应用基础研究，探求提 高含湿多孑l 介质导热系数测量准确性的方法及其影响导热系数准确测量的因素，以改 进现有技术，可为科学研究和工程应用提供理论基础。 1 2 国内外研究现状及文献综述 多孔介质内的传热过程包括固体骨架之间相互接触及孔隙中流体的导热过程；孔 隙中流体的对流换热；固体骨架或气体间的辐射换热。大量实验研究和理论分析结果 表明，对颗粒直径不超过4 - 6 m m 的多孔介质，在g r p r 1 0 3 时，其孔隙中流体的对流 换热贡献可忽略不计，而辐射换热贡献，只有在固体颗粒之间温差较大，孔隙为真空 或由气体占据时才比较明显。所以多孔材料内的传热过程是由固体与流体的微观粒子 运动而引起的热量传递即热传导模式控制【1 1 。由于多孔介质的纯导热过程要比单一 均质物体中的导热过程复杂得多，所以多孔介质有效导热系数的研究主要是从理论和 实验两方面进行的。 1 2 1 理论研究 e c k e r te r g 和d r a k er m 网用现代热的分子运动来详细地讨论热传导的机理，得 到不同介质导热系数的通用公式为： 1 k = p c o g c , ( 1 1 ) j 式中：p 为质点的密度，w 为质点的平均速度，a 为质点自由程的距离，g 为定容比热。 山东建筑大学硕士学位论文 通过式( 1 1 ) 能正确表达物质中各因素对整体导热的影响，但由于确定各因素存在相 当的难度，致使该式在实际应用中没能得以推广 在分析求解多孔介质导热问题中，主要采用如下两种方法【1 】：以简化模型为前提的 简化解析法和有效导热系数的组合方法许多研究结果表明，有效导热系数的确定主 要取决于多孔介质结构特性，如孔隙直径、孔隙率、弯曲率及颗粒排列方式m 。长期以 来，国内外研究者在理论分析的基础上，建立了许多多孔介质物理模型和理论模型用 于计算和确定多孔介质导热系数等热物性参数。多孔介质导热系数模型主要如下。 在1 9 世纪末，m a x w e l lj c 【8 】针对孔隙率的变化提出以电热模拟法获得有效导热系 数的表达式，但此式只适用于孔隙率值较高球形颗粒多孔体。 p 筹一 n 2 ， v a s l l i e vl l 【9 】提出了多孔材料孔隙中为气体并考虑固体颗粒间接触热阻效应时的 有效导热系数表达式： 屯= 南+ 扣小丽2 kr ( 1 3 ) 其中： 么= 睁瓦k s r 2 x 1 0 3 ) 1 ( 1 4 ) l 乜他 j 、 但是式中经验系数厶，厶以及接触导热系数岛很难精确确定。张海林【1 0 】在采用分 形理论确定多孔介质真实几何结构的基础上，利用将多孔介质中流体的热传导比拟为 网络中电流的传导的方法，得到了考虑高温辐射时多孔介质基于分形和重整化群理论 的有效导热系数模型。 乞= k ( 妒m ) 艄 l l k 0 哪k y k 喙尸南 p 2 ( 1 5 ) p 只 通过实验验证了模型的准确度，得到对于干燥多孔介质模型预测值与实验值吻合程度 山东建筑大学硕士学位论文 较好。 李小川掣n 】在考虑多孔介质内部气固两相之间的耦合传递过程基础上，通过模拟 多孔介质中热量传递规律，得到多孔介质中热流和温度分布图，然后在得到各节点的 温度值的前提下，计算单位时间通过多孔介质的热流量，利用傅里叶定律得到多孔介 质有效导热系数。 赵晓琳【1 2 】通过利用将多孔介质导热折算为一般固体材料导热问题的方法，得到多 孔介质导热过程的温度场分布，然后根据得到的温度变化曲线采用折半法反求多孔介 质的导热系数，同时采用遗传算法建立了多孔介质导热系数的模型。通过实验验证， 在一定范围内采用这两种方法计算的多孔介质导热系数是有效的。 钱吉裕等【1 3 】从l a t t i e e - b o l t z m a n n 方程出发，推导得到二维l b 导热模型，如下： 每矿= 孝( 占t + ( 1 一占) 屯) + + 1 - _ 兰6 、i ( 1 6 ) k i ) 式中岛和爵分别为骨架和填充物的导热系数，8 为多孔材料孔隙率，善为与骨架结构有 关的系数。通过上式可以得到多孔材料孔隙率和骨架结构是影响多孔介质导热系数的 主要因素。 以上研究方法均将物体的几何结构理想化为简单的模型，以欧氏空间为基础对多 孔介质热量传递过程进行研究，尽管其研究方法及研究结果具有实用或参考价值，但 由于一些不确定因素的影响，均有一定的局限性。对于确定多孔介质有效导热系数准 确性来说，其只能给出精确度不高的近似描述。随着多孔材料尤其是含湿多孔材料越 来越多的应用于实际工程和科学研究以及微观传热学的发展，传统方法对问题线性化、 理想化的描述与解析，在一定程度上已无法满足现在从微观角度研究多孔介质的要求， 因此需要更深度的研究与发展。 随着含湿多孔介质越来越多的应用，对含湿多孔介质有效导热系数的研究要求越 来越高。但目前，对于非饱和含湿多孔材料来说，建立的有效导热系数与孔隙率、含 湿率之间的数学模型并不多。z h a n gh a i f e n g 等人【1 4 1 5 1 提出了一个随机混合模型预测含 湿多孔介质的导热系数，该模型对于孔隙率小于0 6 的含湿多孔介质准确度很高，而对 于孔隙率大于0 6 的含湿多孔介质有一定程度的偏离；王建伟等【1 6 】根据热阻等效原理 分析冻土层有效导热系数，建立了冻土层有效导热系数与冻前含水量和地下水埋深之 间的关系。 山东建筑大学硕士学位论文 = 0 11 4 1 z 。- 0 0 0 4 4 缈+ 0 3 3 7 7 ( 1 7 ) 式中：z w 为地下水埋深，为冻前含水量。分析结果表明，影响冻土层有效导热系数 的主要因素是水分条件。当地下水埋深较小时，影响导热系数的主要因素是地下水埋 深，随地下水埋深增大，影响冻土层导热系数的主要因素是冻前含水量，随冻前含水 量的增加而减小。建立的有效导热系数关系式主要是针对冻土层内水分对有效导热系 数的影响，应用范围相对较小。 m o r a nw a n g 等人唧从二维和三维角度建立了随机多孔介质的有效导热系数模型。 t a m a w s k ia n dl e o n g t l 8 1 根据s u n d b e r g 的t c r ( t h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e ) 模型1 1 9 】和 b m g g e m a n 的s e l f - c o n s i s t e n t - a p p r o x i m a t i o n ( s c g ) 模型2 0 】提出了t c r + s c r 模型，利用 这个模型对不同含湿率的试样进行计算并与实验值比较发现，对于饱和度0 0 8 8 6 s l 试样是准确的，但对于s 0 1 的试样误差很大，并在此基础上延伸了三种模型，虽 然利用模型求得了导热系数，但它们的均方根误差达到2 5 左右，同时对于高温状态 下导热系数如何变化并不确定。h o l l i e sa n db o g a t y 2 1 ，2 2 】对不同的纤维、含湿率和孔隙率 的介质进行了实验，发现织物的导热系数主要受厚度、孔隙率和含湿率的影响，纤维 的排列方式对它的影响不大。t i l a kd i a sa n dd e l k u m b u r e w a t t egb 【2 3 】根据傅里叶定律和 能量守恒定律可得到含湿多孔介质微元体导热系数模型： 扣雨瓜右筠丽 ( 1 8 ) a u r a n g z e ba n dm a q s o o da 【2 4 】在总结前人对于多组分系统导热系数估算的几个基本 模型的基础上，首先在环境条件下，采用美国材料实验协会的a s t m 标准测量密度和 孔隙率，保证实验精确度的前提下提出了指数衰减模型： 。墨 七：七p 一0 ( 1 9 ) 通过试验数据可以发现，对含湿多孔介质而言，各经验模型的误差相对较小；但对于 不同的材料以及材料孔隙中为不同的物质时各经验模型中经验参数需要改变，所以经 验模型还有待于进一步研究。 这些模型采用不同的理论和技术，考虑了多孔介质中各种复杂结构以及流固复合 传热等，便于计算确定导热系数，有相当通用性，具有较高的学术意义和科学价值。 以上大多数模型需要确定骨架导热系数以及较高的计算方法和技术，通常较为复杂困 难，对推广应用有一定影响。对于一般的科学研究和工业应用，目前多孔介质的导热 山东建筑大学硕士学位论文 系数等热物性参数主要是通过实验测量方法获得。 1 2 2 实验研究 理论研究与实验验证是相辅相成的关系，二者有效结合可提高多孔介质有效导热 系数的测量精度。对于多孔介质导热系数韵测量方法来说，特定的材料以及特定的温 度范围需要特定的测量方法，不可能所有测量情况采用一种方法均可解决。所以实验 测试时需要根据被测样品的形状和几何尺寸、材料的物理性质、测量速度、测量精度、 可操作性等因素选择合适的测量方法。 对于多孔介质导热系数的测试方法来说，主要分为稳态法和非稳态法【2 5 1 。 稳态法是在被测试样中温度分布达到稳定后，借助测量试样单位截面积上的温度 梯度与热流率，即可得到试样材料导热系数。虽然这种方法的实验公式较简单，计算 较容易。但测试时间长，测试过程中需要测量若干点的温度和导热量，所以应用受到 一定限制。非稳态法是指通过测量确定实验加热过程中试样温度随时间的变化，然后 根据测量数据计算测试过程中试样的温度变化率，就可以确定试样的热扩散率，进而 计算多孔介质的导热系数。相对于稳态法来说，非稳态法的主要优点是可以缩短测量 时间，能减少热量损失以及防止样品的化学性质和结构发生变化。所以现在主要采用 的测试方法是非稳态法。目前常用的非稳态热物性参数测试方法主要有：线热源法、 瞬态热带法、瞬态平面热源法及周期热流法等【2 6 加。 s t a l h a n e b 和p y ks 2 8 1 于1 9 3 1 年首次提出线热源法，国内于绍文【2 9 1 ，阎秋会例及乔 双【3 1 】等对瞬态热线法进一步研究并提出许多提高热线法测量物质导热系数精度的措 施。王补宣【3 2 3 3 】基于线热源法提出了可同时测定松散介质导热系数与导温系数的“加 热一冷却法 ，并通过优化分析得出相应的最佳测试参数。文中针对含湿多孔介质特殊 性，对含湿材料导热系数和导温系数的测试误差通过采用有效的技术措施进行控制。 结果表明，多孔含湿材料的有效导热系数值随着含湿率的增大而增大，同时确定影响 含湿多孔材料导热系数的因素非常多。 在线热源法测量导热系数原理的基础上，h o o p e r l 3 4 , 3 5 】提出了基本原理与此一致的 探针法。张海峰f 3 6 】在探针法测量导热系数原理的基础上，提出适用于测量低温下材料 发生相变后导热系数的新方法，提高了探针法的测量精度和测量范围。张忠进【3 7 】在传 统热线法的基础上提出了断电热线法，并被赵晓彤等【3 8 】用于测量自由堆积粉煤灰的有 效导热系数，使该法进一步得以验证。同时陈福等【3 9 】利用球体法测量了自然堆积煤灰 山东建筑大学硕士学位论文 的导热系数，二者都得出了一些有意义的结论，但都是对干燥状态下的自然堆积煤灰 进行的研究，没有涉及含湿介质。 由于线热源法和探针法加热面积较小，准确性受到一定的限制。1 9 7 9 年 g u s t a 矗s o n 【柏】教授首次提出了瞬态热带法，并用于测试电绝缘固体材料的导热系数 1 9 8 6 年g u m f s s o n 【4 l 】教授将瞬态热带法进一步发展，提出了附有绝缘层的带状探头 在此基础上，g u s t a f s s o n 4 2 】教授为了提高测试的精度提出了瞬态平面热源法，并将原来 探头做成了现在所用的h o t d i s k 探头以及以此为基础研制出h o t d i s k 热常数分析仪【4 3 朋， 此装置可精确测量固体、液体、粉末、金属、陶瓷、凝胶、高聚物、复合材料、纤维 材料、纳米流体等材料的导热系数、热扩散率及比热等热物性参数。 黄犊子【4 5 】通过采用h o t d i s k 热常数分析仪对饱和含水的砂子、冰及不锈钢标准件 的有效导热系数进行测量并与标准值比较。实验研究表明h o t d i s k 热常数分析仪测试 结果非常准确，最大相对误差为0 3 2 4 ，同时，研究表明砂子粒径对有效导热系数在 一定程度内有非常大的影响。 朱国平等m 】对不同含湿率和不同石英砂情况下的高庙子膨润土导热系数利用双试 件热导率测定仪进行测试，研究其导热系数随含湿率和石英砂含量的变化规律。测试 结果表明，导热系数随含水量的增加而增大；当膨润土含湿率相同时，导热系数随石 英砂增加而增大。通过数据对比得到膨润土导热系数满足使用要求时的最佳含湿率值。 为提高膨润土的导热性能研究提供一定的理论指导。 胡雪蛟等【4 刀对非饱和含湿多孔介质传热传质的研究发现，增大含湿率能够提高多 孔介质的有效导热系数，尤其是多孔介质含湿率很低的时候，由于液体能够在接触点 附近形成热流导通桥且液体导热系数远大于气体导热系数的缘故，使多孔介质导热系 数的提高十分明显。 刘晓燕等【4 8 】通过分析材料类型、温度、湿度、孔隙率、粒径及粒径分布、容重、 热流方向、比热容和填充气体等对多孔材料导热系数的影响作用发现，孔隙率与多孔 材料的表观密度相互对应，同种材料由于孔隙率不同，从而导致材料中固体、气体比 例不同，所以导热系数差别较大；湿度不同主要表现为孔隙内水分比例不同，从而导 致材料中产生热传导的成分不同，从而影响材料导热系数的大小，所以结果表明以上 影响因素中孔隙率和湿度对导热系数影响最大，并有必要进一步研究二者对多孔材料 导热系数更准确的影响。 山东建筑大学硕士学位论文 以上对于多孔介质尤其是含湿多孔介质表观热物性参数的研究，分析过程中通常 认为水分是均匀分布在孔隙内或均匀分布在孔隙壁面上。虽然大多数非稳态方法是对 被测对象施加一定的热影响，测量被测对象的温度响应，根据所建立的非稳态传热模 型反向确定介质的热物性参数。但基于大多数测量仪器加热元件在测试过程中升温不 高的考虑，忽略测试过程中水分相变扩散对测量结果的影响 4 9 ，5 0 。但根据上述确定多 孔介质导热系数实验分析结果以及已有研究【5 1 侧发现，含湿多孔介质导热系数主要受 孔隙率和含湿率的影响比较大，所以在一定测量精度范围内来说，需要确定水分相变 对导热系数的测试结果的影响程度。 因为含湿多孔介质有效导热系数是研究多孔介质内传热传质过程最重要的热物理 特性参数，但目前来说非饱和含湿多孔介质热物性的准确性测量仍是十分困难的，所 以基于已有多孔介质以及含湿多孔介质的研究，提出非饱和含湿多孔介质有效导热系 数的简单而有效的研究方法及影响导热系数等热物性参数准确测量的因素，可为研究 含湿多孔介质热湿传递机理提供强有力的理论基础，极具现实意义和应用价值。 1 3 存在问题 含湿多孔介质导热系数等热物性系数测试实验采用的方法，大都按理想状态忽略 测试过程中由于探头加热引起的水分相变扩散对测量结果的影响。但实际上，由于测 试过程中施加了热影响，被测介质水分分布会发生变化且不再均匀，进而影响测试结 果【5 5 1 。a b u h a m d e h 等人【5 6 1 对不同含湿率和体积密度的土壤试样加热和冷却两个过程 分别测试导热系数，发现加热过程得到的导热系数稍大于冷却过程的数值。隋晓风【5 7 1 采用h o t d i s k 热常数分析仪对不同含湿率砂子有效导热系数进行测量以及相应的微观 角度分析。研究表明，导热系数在一定程度内随含湿率的增大而增大，并且当含湿率 低于一定数值时导热系数不能准确测量，推测原因可能是由于加热过程中水分迁移引 起的一系列复杂影响因素，因而建议从微观层面研究含湿多孔介质传递过程对表观导 热系数测量的影响。因此为能准确测量含湿多孔介质导热系数，需从微观角度分析确 定提高介质导热系数测量准确度的方法及影响导热系数测量准确性的因素。以达到从 深层次完善含湿多孔介质热物性测量理论和技术。 1 4 论文工作 面对这些具有新意、挑战性且尚未有足够了解和认识的复杂问题，目前主要以实 验测量和观察为主。本文主要的研究内容为结合孔隙尺度微细现象确定影响含湿多孔 山东建筑大学硕士学位论文 介质有效导热系数准确测量的因素及机理分析。主要内容如下： ( 1 ) 对多种典型多孔介质在不同含湿率条件下的导热系数进行大量重复测量，分 析相对测量误差与含湿率之间的关系； ( 2 ) 利用高速c c d 结合体视显微镜系统观察研究分析多种典型多孔介质在不同 含湿率时孔隙尺度水分形态、分布及加热时水分的演化过程，并进行机理分析；同时 通过大量实验，观察分析不同典型试样孔隙内水分形态及分布发生改变时的临界含湿 率； ( 3 ) 根据实验观察和测量结果研究不同含湿率时水分形态及分布与相对测量误差 之间的关系，分析其内在联系； ( 4 ) 在实验基础上，结合分析多孔介质内部水分形态存在及分布与骨架属性的相 互作用机制，尝试建立可根据骨架结构及物理属性确定水分分布形式的数理模型，该 模型还可用于确定水分形态及分布转变时的临界含湿率。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章实验系统 2 1 引言 含湿多孔介质导热系数的准确确定在科学研究和工程应用许多领域具有重要价值 和意义。可采用理论方法和实验技术确定，目前实验测量仍是确定介质导热系数的主 要手段。含湿多孔介质导热系数是其内部的热湿传递的宏观表征，因此研究和认识其 孔隙尺度的热湿传递特性可分析发现导热系数测量手段中存在的不足，有助于改善测 量方法和技术，提高测量的可靠性和准确性。由于从理论上还未完全认识孔隙尺度传 热传质本质，因此目前实验观察仍是认识和理解孔隙尺度上水分传递过程和传热研究 的重要手段。本文除了对含湿介质进行导热系数测量外，还将利用显微观测系统对孔 隙尺度基本现象和传递过程进行实验研究。本章将在实验过程中所用到的试样、实验 设备进行介绍，并对相关参数的不确定度进行分析。 2 2 含湿多孔介质材料选择 为便于控制介质内含湿率，并使水分能在试样中均匀分布，研究将主要选取颗粒 型多孔介质。本文选取不锈钢珠和玻璃珠作为多孔介质进行研究。 2 3 实验设备 2 3 1 含湿多孔介质基本参数确定及其所需实验设备 ( 1 ) 固体颗粒尺寸露 目前固体颗粒尺寸主要有两种计量方法：比重计分析法：将与颗粒在水中的下 降速度相同的同种材料圆球尺寸加以测量去确定。这种方法适用于较小颗粒的测量； 筛选法：利用不同尺寸方形孔网筛子过筛，其所测量的是能够通过筛网的一批颗粒 ( 此方法只能大致上确定颗粒尺寸的一个范围) ，最后以网眼尺寸为当量直径去表述颗 粒尺寸。由于不锈钢珠固体颗粒尺寸为已知的，因此本文中只需确定玻璃珠颗粒尺寸。 文中采用第二种方法确定玻璃珠的颗粒尺寸。试样参数如表2 1 。 表2 i 试样参数 试样名称不锈钢珠l 撑不锈钢珠2 撑不锈钢珠3 撑玻璃珠l 撑玻璃珠2 撑玻璃珠3 撑 粒径，( m 肌) 0 81 o1 20 1 5 - 0 4 50 4 5 m 9 00 9 0 - 1 2 0 ( 2 ) 骨架密度几 以不锈钢珠骨架密度为例，说明堆积型试样骨架密度的确定过程。 山东建筑大学硕士学位论文 测量方法：利用常温为2 0 3 3 时，容积为2 5 0 m l 容量瓶盛装水和不锈钢珠，充分排 除气体后，通过测量总容积、水分质量和不锈钢珠质量，同时结合水分的密度确定堆 积型不锈铜珠的密度。其中质量采用m e r r i e rt o l e d o 公司型号为p l 3 0 0 2 的精密分析天 平( 如图2 1 ) 测量。 图2 1 精密分析天平p l 3 0 0 2 为了保证实验过程中使天平达到各项准确的技术参数( 参数如表22 ) ，获得准确 的实验数据，根据天平的使用要求，在进行首次测量试样质量前必须至少预热6 0 分钟 以达到工作温度，以保证实验结果精度。 表22 精密分析天平p l 3 0 0 2 的各项技术参敷 参数技