基于熱探針的高精度多功能熱物性測量系統(tǒng)研究.pdf

1、熱導(dǎo)率、比熱容等熱物性參數(shù)是熱工、化工、航天等領(lǐng)域的基本參數(shù)，熱物性的高精度測量一直是相關(guān)領(lǐng)域的熱門課題之一。而熱探針法具有制作簡單、測量快捷等優(yōu)點，在熱導(dǎo)率測量方面具有廣泛應(yīng)用。但是由于熱探針導(dǎo)熱方程的復(fù)雜性，目前所采用的熱探針方法所依據(jù)的理論基礎(chǔ)是簡化的數(shù)學(xué)模型，忽略了探針自身參數(shù)及探針與待測介質(zhì)之間接觸熱阻的影響，不可避免地存在著系統(tǒng)誤差。因此，在對熱探針的傳熱特性進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，研究高精度的熱探針測量方法，不僅具有重要的理

2、論意義，同時也具有重要的應(yīng)用價值。
　　 本文在考慮熱探針自身參數(shù)及探針與待測樣品之間接觸熱阻影響的基礎(chǔ)上，基于熱探針導(dǎo)熱方程精確解的數(shù)學(xué)模型，利用蒙特卡洛反演方法建立了可以同時測量固體和液體熱導(dǎo)率、體積比熱容等多種熱物性參數(shù)的高精度多功能熱物性測量系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對一些液體和固體材料的熱物性進(jìn)行了測量，并與其它測量方法進(jìn)行了分析與比較。結(jié)果表明：（1）采用該方法所得熱導(dǎo)率、體積比熱容的平均測量誤差分別為1.2％和3％，精度有了

3、較大的提高，尤其是針對粘度低的液體樣品，其測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的熱探針方法。（2）接觸熱阻對固體熱導(dǎo)率影響較大，因此考慮接觸熱阻有利于提高固體熱導(dǎo)率的測量精度，但由于探針與液體樣品之間的接觸熱阻很小，在測量液體樣品時，可以忽略接觸熱阻的影響。
　　 為了便于對土壤熱物性進(jìn)行現(xiàn)場測量，本文在上述方法的基礎(chǔ)上，建立了土壤熱物性快速測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以方便快捷地得到土壤的熱導(dǎo)率、體積比熱容等熱物性參數(shù)。對土壤的現(xiàn)場測量顯示，

4、潮濕土壤中的水分在溫度梯度下所形成的水分遷移對測量結(jié)果有較大的影響，此時需要通過控制測量時間和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)篩選來減少這種影響。
　　 土壤含水量是地源熱泵、土體工程等領(lǐng)域的重要參數(shù)，為了在利用土壤熱物性快速測量系統(tǒng)獲得土壤熱物性的同時，能夠得到土壤的含水量，本文最后研究了利用土壤熱物性反演含水量的方法。本文采用Campbell模型、Johansen模型和熱慣量模型分別對土壤及沙的含水量進(jìn)行反演，所得結(jié)果顯示，熱慣量模型對土壤及沙的