基于数值模拟的高导热材料热物性测试新方法研究

摘要

本文根据经典周期热流法测试原理，采用实验求解与数值求解相结合的手段，发展了一种基于数值模拟的高导热材料热物性测试新方法。并基于该测试新方法，利用先进的数据采集设备，应用编程技术，设计开发了一套热物性测试系统。 首先，根据经典周期热流法测试原理，对测试装置进行了总体设计；其次，以商业仿真软件Fluent为计算平台分析了保温隔热层厚度，试样长度、试样直径、关键测温点、冷端边界条件、加热频率等因素对测试结果的影响，并根据仿真结果对测试装置进行了优化设计；然后，采用数据采集设备DUT5000，借助编程技术，开发了界面友好的数据采集及处理软件系统，实现数据的实时采集、动态显示、自动存储、实时处理等功能；并应用有限容积法建立二维模型，开发了基于Visual Basic的在线仿真软件系统，完成数值求解，结果寻优；最后，通过对几种高导热材料的测试，并将测试结果与文献值比较，发现采用经典周期热流法和本研究中所提出的热物性新方法得到的导热系数的相对误差分别不超过7％和5％。 结果表明，本研究中所提出的基于数值模拟的热物性测试新方法不仅有效消除了试样内非一维传热损失、热源波形不标准及边界条件不稳定所造成的误差，提高了测试精度；而且降低了对测试装置的要求，简化了测试装置。同时结果也表明，本研究所设计的测试系统具有较高的精度和自动化程度，可用来对其它高导热材料进行导热系数测定。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

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第一章 绪论

1.1热物性测试的研究概况

1.1.1热物性的基本概念

1.1.2热物性测试的意义及研究范畴

1.1.3热物性测试的研究现状及发展趋势

1.2导热系数和导温系数的概念及测试方法

1.2.1导热系数的定义及导热定律

1.2.2导温系数的基本概念和物理意义

1.2.3导热系数的测试方法

1.3周期热流法的研究概况

1.3.1周期热流法的提出和发展

1.3.2周期热流法的应用

1.4数值解法在热物性测试中的应用概况

1.4.1数值解法简介

1.4.2数值解法在热物性测试中的应用

1.5本研究的内容和技术路线

1.5.1本课题的研究背景及内容

1.5.2本研究的技术路线

1.6本章小结

第二章 周期热流法及其数值计算

2.1经典周期热流法的基本原理

2.1.1非稳态导热

2.1.2经典周期热流法测试原理

2.2经典周期热流法模型及解法

2.2.1周期热流法物理模型

2.2.2分析解的数学模型

2.2.3数学模型的求解方法

2.2.4本研究采用的数学模型

2.2.5本研究数学模型的解法

2.2.6振幅衰减法和相位差法解法的修正

2.3基于数值模拟的热物性测试新方法的提出

2.3.1背景和思路

2.3.2数值解法在本研究中的作用和意义

2.4本研究所采用的数值解法

2.4.1建立控制方程及定解条件

2.4.2区域离散化和离散方程的建立

2.4.3边界条件的离散化

2.4.4代数方程组的求解

2.5本章小结

第三章测试装置的设计及优化

3.1测试装置的总体结构设计

3.1.1信号发生单元

3.1.2数据采集单元

3.1.3炉体单元

3.2数值仿真在测试装置设计参数优化中的应用

3.2.1几何模型的确定

3.2.2网格的划分

3.2.3选择计算方法和计算模型

3.2.4物性参数和边界条件的设定

3.2.5模型验证

3.3测试装置仿真结果

3.3.1保温隔热层对测试结果的影响

3.3.2关键测温点位置对测试结果的影响

3.3.3试样长度对测试结果的影响

3.3.4试样直径对测试结果的影响

3.3.5冷端边界条件对测试结果的影响

3.3.6加热频率对测试结果的影响

3.4结构参数及加热条件的确定

3.4.1炉体基本尺寸的确定

3.4.2冷端边界条件和加热频率的确定

3.5本章小结

第四章 测试系统的软件设计

4.1数据采集及处理系统的设计

4.1.1数据采集及处理系统的功能及框架

4.1.2数据采集及处理系统的实现

4.2基于数值模拟热物性测试新方法的软件设计

4.2.1基于数值模拟热物性测试新方法软件的功能及框架

4.2.2基于数值模拟热物性测试新方法软件的实现

4.3本章小结

第五章 测试结果及误差分析

5.1实验过程

5.1.1实验步骤及注意事项

5.1.2测试实例

5.2实验及数值模拟结果

5.3误差分析

5.3.1系统误差的消除

5.3.2测试中系统误差分析

5.4本章小结

第六章结论及建议

6.1结论

6.2建议

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢