【碩士】基于熱探針的高精度多功能熱物性測量系統(tǒng)研究

內容簡介

　　【碩士】基于熱探針的高精度多功能熱物性測量系統(tǒng)研究　　授予學位：碩士　　學位授予單位：中國科學技術大學　　學位年度：2011　　熱導率、比熱容等熱物性參數(shù)是熱工、化工、航天等領域的基本參數(shù)，熱物性的高精度測量一直是相關領域的熱門課題之一。而熱探針法具有制作簡單、測量快捷等優(yōu)點，在熱導率測量方面具有廣泛應用。但是由于熱探針導熱方程的復雜性，目前所采用的熱探針方法所依據(jù)的理論基礎是簡化的數(shù)學模型，忽略了探針自身參數(shù)及探針與待測介質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行系統(tǒng)分析的基礎上，研究高精度的熱探針測量方法，不僅具有重要的理論意義，同時也具有重要的應用價值。　　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上，基于熱探針導熱方程精確解的數(shù)學模型，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行了測量，并與其它測量方法進行了分析與比較。結果表明：（1）采用該方法所得熱導率、體積比熱容的平均測量誤差分別為1.2%和3%，精度有了較大的提高，尤其是針對粘度低的液體樣品，其測量精度遠遠高于傳統(tǒng)的熱探針方法。（2）接觸熱阻對固體熱導率影響較大，因此考慮接觸熱阻有利于提高固體熱導率的測量精度，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行現(xiàn)場測量，本文在上述方法的基礎上，建立了土壤熱物性快速測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構簡單，可以方便快捷地得到土壤的熱導率、體積比熱容等熱物性參數(shù)。對土壤的現(xiàn)場測量顯示，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果有較大的影響，此時需要通過控制測量時間和適當?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行反演，所得結果顯示，熱慣量模型對土壤及沙的含水量反演的誤差分別為2.0%和5.9%，含水量反演精度遠高于其他兩種模型。這表明，以熱慣量模型為基礎，通過適當?shù)姆囱莘椒?，有可能建立可同時測量熱導率、體積比熱容和含水量的熱探針土壤多功能測量系統(tǒng)?！　?

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