平面热源法对建筑保温材料热导率和热扩散率的测试研究

摘要

目前新型建筑保温材料不断涌现，但测试手段有限，测试数据缺乏，使保温材料的推广应用受到限制。本文基于平面热源法，设计了一套适用于保温材料热导率和热扩散率等参数测试的实验装置，开发了可视化数据采集与处理软件，完成了对部分建筑保温材料的热导率和热扩散率等参数的测试，并对测试结果进行了优化，主要研究内容如下:
　　(1)基于平面热源法设计并搭建了保温材料的热导率和热扩散率等参数实验平台。利用FLUENT软件，分析了试样长宽、测试间距及热流密度等参数对测试结果的影响，确定了实验参数:试样长、宽L均为300mm，测试间距h为10～20mm，热流密度qw为30～150W·m-2。
　　(2)基于Visual Studio.NET2008可视化编程平台，开发了一套可同时采用常功率平面热源法和阶跃平面热源法测试材料热导率、热扩散率和比热容的可视化数据采集与处理软件。
　　(3)通过理论分析确定了该装置的有效测试时间τmin=100s，τmax为监控面温度上升0.1℃时刻。并利用实验研究了保温罩和热流密度等因素对热导率测试精度的影响。结果表明:常功率法和阶跃法重复测量的复现性较好，偏差均在3％内。加保温罩时，EPS板的测试精度可提高0.85％。热流密度对水泥泡沫板和泡沫玻璃热导率的影响较大，在测试温度为20～43.5℃时，水泥泡沫板的热导率随温度变化增大而增大，而在测试温度为20～66℃时，泡沫玻璃板的热导率随温度变化增大而增大;热流密度对EPS(20～43℃)板和砂加气混凝土砖(20～32℃)的热导率影响较小，基本可忽略不计。
　　(4)采用常功率法和阶跃法对有机泡沫保温材料、加气砖硬质保温材料、水泥泡沫板和泡沫玻璃板的热导率和热扩散率等参数进行了测试，两种方法的测试结果有一定的偏差，热导率测试结果的相对偏差均在5％以内，热扩散率测试结果的相对偏差波动较大，偏差范围为1.7～22.2％，但无规律显示哪种方法更适合测试。其中，常功率法和阶跃法测试得到的EPS板热导率与厂家提供值的相对误差分别为-1.95％和2.68％，测试精度均较高。两种方法对热扩散率的测试与文献基本一致，实验测试完善了真金板、砂加气混凝土砖、水泥泡沫板和泡沫玻璃板等几种保温材料的热扩散率数据。此外，基于新的数据处理方法，测量了有机泡沫保温材料、加气砖硬质保温材料、水泥泡沫板和泡沫玻璃板等保温材料的蓄热系数，完善了相关材料蓄热系数的数据。
　　(5)基于FLUENT软件，采用实验与仿真相结合的方法修正了热导率，进一步提高了实验测试精度。经过修正，EPS板热导率的相对误差从-1.95％减小到-1.22％，误差精度提高0.73％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 热物性研究概述

1．2．1 热物性定义

1．2．2 热物性测试研究范畴及重要性

1．2．3 热物性测试技术发展

1．3 对国内外保温材料热导率和热扩散率参数测试技术的研究进展

1．3．1 国外的研究进展

1．3．2 国内的研究进展

1．4 非稳态平面热源法热导率和热扩散率参数测量方法对比

1．5 研究内容

2 平面热源法测试原理

2．1 半无限大物体非稳态导热

2．1．1 半无限大物体导热问题数学描述

2．1．2 不同边界条件问题解析解

2．2 平面热源法热导率和热扩散率测试原理

2．2．1 常功率平面热源法热导率和热扩散率测试原理

2．2．2 阶跃平面热源法热导率和热扩散率测试原理

2．3 常功率平面热源法蓄热系数测试原理

2．4 本章小结

3 实验测试系统设计及优化

3．1 实验测试系统主体结构设计

3．1．1 加热系统设计

3．1．2 数据采集系统设计

3．1．3 测试系统设计

3．2 基于数值模拟辅助设计及优化

3．2．1 仿真模型的建立

3．2．2 宽度L的确定

3．2．3 加热面和测试面间距h的确定

3．2．4 热流密度qw的确定

3．3 本章小结

4 可视化数据采集与处理软件开发

4．1 开发工具Visual Studio概述

4．2 可视化数据采集与处理软件开发

4．2．1 可视化数据采集与处理软件功能简介

4．2．2 数据采集模块

4．2．3 数据显示及处理

4．3 测试系统可靠性评估

4．4 本章小结

5 实验参数的确定

5．1 实验测试流程及注意事项

5．1．1 实验测试流程

5．1．2 实验测试注意事项

5．1．3 实验测试试样

5．2 实验参数的确定

5．2．1 有效时间(τ)的选取

5．2．2 实验测试可复现性分析

5．2．3 保温罩对测试精度的影响

5．2．4 热流密度对测试精度的影响

5．3 本章小结

6 测试结果分析及优化

6．1 热导率测试结果及分析

6．2 热扩散率与比热容测试结果及分析

6．3 蓄热系数测试结果及分析

6．4 基于数值模型的实验结果修正

6．4．1 理论和实验条件对比

6．4．2 误差修正

6．5 本章小结

7 结论与建议

7．1 结论

7．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果

致谢