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提高散体有效导热系数模型准确度的理论与实验研究

张海林  
【摘要】:在自然界及工业生产中许多物质、产品(包括中间产品)都是以散体的形式存在的,由于它是固体颗粒在气相或液相空间松散堆积而形成的,所以散体几何结构比较特殊,这种特殊性导致其有效导热系数不容易被准确确定。散体有效导热系数问题的研究渗透在许多领域,涉及到很多学科,但由于散体的物料种类多、性质差别较大,至今仍是一门尚未成熟的学科。所以散体的研究既具有重要理论价值又具有广泛的应用背景。本文在国内外研究的基础上,对自然堆积散体的热传导进行了较为深入的理论与实验研究,提出了一个通用的散体有效导热系数的热逾渗模型,模型预测结果与实验值吻合良好。 首先,由于散体几何结构的特殊性与复杂性,使得其对于散体有效导热系数起着决定性作用,准确的描述散体的几何结构是进行准确预测其有效导热系数的前提。本研究采用分形理论来描述散体的几何结构,与传统方法相比,参数可测,而且能较真实的反映散体的几何结构。 其次,与多孔介质中流体和随机阻抗网络中电流的传导相比拟,散体中的“热流”传导也可看作是一种渗流过程,渗流的标度律依然成立,于是从临界现象中即可得出两种不同物质混合后热传导的一般行为。本文逐项修正了二维及三维实空间传统重整化群理论的误差来源,并采用修正后的重整化群理论来确定渗流临界值和临界传输指数。 再次,本研究给出了基于分形与重整化群理论的散体有效导热系数热逾渗模型的完整表达式,而且在模型中考虑了高温情况下辐射换热对散体有效导热系数的贡献,从而扩展了模型的适用温度范围,减小了高温时模型的预测误差。 此外,依据断电热线法测量物体导热系数理论,本研究自行设计了实验装置,编制了相应的数据采集和处理软件,实现了不同环境温度下散体的有效导热系数测量,实验检验了模型的合理性和准确度,并针对测量过程中的误差来源对测量不确定度进行了分析。


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