隔熱纖維結構高溫絕熱特性研究.pdf

1、本文主要研究隔熱纖維結構在高溫情況下的絕熱特性。建立了纖維結構內(nèi)部固體導熱,氣體導熱,對流換熱以及輻射換熱四種效應耦合作用的數(shù)理模型；對纖維結構等效導熱系數(shù)進行了數(shù)值研究,得到了各種狀態(tài)參數(shù),物性參數(shù)以及結構幾何參數(shù)對等效導熱系數(shù)的影響規(guī)律；實驗測量了高溫情況下常用隔熱纖維材料的比熱,等效導熱系數(shù),熱擴散系數(shù)等物性,將測量得到的等效導熱系數(shù)與數(shù)值模擬結果進行對比,并進行了相應的誤差分析；結合實驗與數(shù)值模擬結果,對各種隔熱纖維復合結構的優(yōu)

2、化手段進行分析,以進一步指導工程應用。
　　 本文所建立的二維無搭接全平行模型的計算結果較測量結果,在較低溫度時會偏小,這主要是由于低溫情況下,導熱對于傳熱的貢獻較大,而無搭接全平行的結構正是人為的弱化了導熱；在較高溫度時會偏大,這是由于高溫情況下,輻射對于傳熱的貢獻較大,而無搭接全平行的結構過大的間隙人為強化了輻射傳熱。三維模型則在這些方面對二維模型進行了修正,綜合考慮二維模型和三維模型的計算結果可以得到更為接近實驗測量的結果

3、；在結構密度以及壓力一定的條件下,纖維結構的等效導熱系數(shù)隨著結構平均溫度的升高而增大,且在高溫區(qū)域呈現(xiàn)明顯的非線性變化趨勢；纖維結構等效導熱系數(shù)隨著結構內(nèi)部氣體壓力的增大而增大,且增大的程度不均勻,低壓時增大的幅度更大;在結構表觀密度,氣體壓力條件,平均溫度一定的情況下,一定厚度纖維結構的等效導熱系數(shù)隨著溫差的增大而增大；在纖維結構極為疏松的情況下(纖維結構固體比小于0.07),纖維結構的等效導熱系數(shù)隨著結構表觀密度的增大而減小；纖維結

4、構的等效導熱系數(shù)會隨著纖維母材導熱率的增大而增大,而且這種影響在低溫區(qū)更為顯著,高溫區(qū)的影響則很微弱；隨著溫度的升高,輻射換熱在整個傳熱效應中貢獻逐漸增大,當溫度大于1100K時,輻射換熱成為纖維結構中最主要的傳熱方式。
　　 激光閃射測法所要求的樣品尺寸較小,測量溫度范圍寬廣,可測量絕大部分材料的導熱系數(shù),而且,測量時間大大縮短,能夠得到確定溫度點的熱物性參數(shù),并實現(xiàn)不直接接觸實驗樣品測量,這樣,避免了實驗器件對測量結果的干擾

5、,減小了實驗誤差,較傳統(tǒng)測量方法提高了實驗的精度。本文運用激光閃射導熱儀直接測量了隔熱纖維結構熱擴散系數(shù)、比熱隨溫度的變化特性,從而間接得到隔熱纖維結構的等效導熱系數(shù)隨溫度、表觀密度變化及壓力的變化情況。結果如下:纖維材料等效導熱系數(shù)隨溫度的升高而逐漸變大,且呈現(xiàn)明顯的非線性；纖維結構極為疏松的情況下(纖維結構固體比小于0.07),纖維樣品的等效導熱系數(shù)隨著結構表觀密度的增大而減?。焕w維樣品的等效導熱系數(shù)隨著其所處環(huán)境壓力的增大而增大,

6、而且增大的程度并不均勻,在800℃時,氣壓由0.067Pa增大到0.5atm時,等效導熱系數(shù)增大了約30％,氣壓由0.5atm增大到1atm時,等效導熱系數(shù)僅增大了約4％；實驗測量值與數(shù)值計算值具有較好的吻合性,偏差小于6％,進一步驗證了本文數(shù)值方法的合理性。
　　 在數(shù)值分析和實驗的基礎上,分別就改善隔熱纖維內(nèi)部幾何結構,納米復合材料涂層技術,多層纖維結構及層間隔熱屏技術對隔熱纖維結構高溫絕熱特性的優(yōu)化效果進行了分析,研究發(fā)現(xiàn)

7、:纖維結構等效導熱系數(shù)會隨著空間夾角的增大而減小。大空間夾角加強了纖維間的相互遮擋從而弱化了纖維與纖維之間的輻射傳熱,阻止了熱輻射由高溫區(qū)向低溫區(qū)的透射,而高溫下輻射傳熱是主要的傳熱途徑,從而弱化傳熱；一定表觀密度的纖維結構,等效導熱系數(shù)隨著纖維平均直徑增大而增大,在隔熱纖維的生產(chǎn)當中,通過純化纖維,進一步減小纖維的平均直徑可有效提高隔熱纖維在高溫情況下的絕熱性能；纖維結構的等效導熱系數(shù)隨著纖維表面發(fā)射率的增大而增大,而且這種趨勢隨著溫