含湿多孔介质导热系数测量准确性实验研究及机理分析

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HotDisk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50％、35％和25％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CCD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50％、堆积型玻璃珠含湿率低于35％和堆积型砂子含湿率低于25％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50％、堆积型玻璃珠含湿率高于35％和堆积型砂子含湿率高于25％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θ的单值函数；不锈钢和玻璃表面的接触角值分别为72.5°和36.6°，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48.6％、玻璃珠临界含湿率为35.4％。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孔隙内水分形态，而水分形态及分布影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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1前言

1.2国内外研究现状及文献综述

1.2.1理论研究

1.2.2实验研究

1.3存在问题

1.4论文工作

第2章实验系统

2.1引言

2.2含湿多孔介质材料选择

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

2.3.2观察实验所用实验设备

2.3.3接触角确定所用实验设备

2.4不确定度分析

2.4.1试样骨架密度

2.4.2试样孔隙率

2.4.3试样含湿率

2.5本章小结

第3章导热系数测试

3.1引言

3.2测试设备介绍

3.2.1测试系统简介

3.2.2 Hot Disk探头及测试结构

3.2.3测试原理

3.3导热系数测试结果及分析

3.3.1测试介绍

3.3.2导热系数测试结果

3.3.3导热系数相对误差分析

3.4本章小结

第4章孔隙尺度水分形态及分布实验观察及分析

4.1引言

4.2不加热时孔隙内水分形态及分布

4.2.1含湿率低于分界点时水分分布

4.2.2含湿率高于分界点时水分分布

4.3加热时孔隙内水分形态演化

4.3.1低含湿率试样加热时孔隙内水分形态演化过程

4.3.2高含湿率试样加热时孔隙内水分形态演化过程

4.4加热条件下水分形态演化机理分析

4.5水分形态及分布对导热系数测量准确性影响机理分析

4.6本章小结

第5章骨架物理属性对水分形态及分布的影响

5.1引言

5.2试样颗粒排列方式

5.3液桥独立存在的最大体积

5.4水在骨架表面接触角θ确定

5.4.1接触角介绍

5.4.2接触角测量

5.5临界含湿率计算

5.6本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况