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基于瞬态法的界面接触换热系数实验研究

邢磊  
【摘要】: 接触换热系数作为评价界面换热能力的关键参数广泛应用于低温工程、微电子、材料加工及机械制造等诸多领域。国内外学者对此开展了大量的理论分析工作和建立在稳态热流法基础上的实验研究,并一致认为界面接触热阻产生的主要原因是微观粗糙接触界面处发生的热流收缩。实际上,很多界面接触换热过程是在短时间内动态发生的,且材料本身温度较高,如热加工过程中坯料与模具的接触,但这方面的研究报道尚不多见,可供参考的相关数据较为缺乏。因此,研究瞬态条件下的界面接触换热问题具有十分重要的意义。 本文在分析了国内外相关文献的基础上,介绍了界面接触换热的基本理论,包括接触表面形貌模型、接触表面形变模型及接触热传导模型,根据CMY理论,阐述了接触换热系数的解析模型和理论计算关系式。基于瞬态反传热算法,设计了一套可行的接触换热系数实验测试设备,开发了配套的数据采集处理软件,研究了多种金属材料在不同接触载荷与不同初始温度条件下的接触换热系数,获得了一系列较为可靠的实验结果,对实验数据进行分析后,得出如下结论: 1.接触发生后,试样内部温度场迅速重新分布,接触界面处温度变化尤其剧烈,在5秒内温度变化量达到最大值;试样校核测温点的温度计算值与实测值吻合较好,验证了计算方法的可靠性。 2.瞬态接触换热系数在短时间内(大约5秒)迅速升高至某一值,并基本保持稳定;由于接触表面微观变形及计算误差两方面原因,随着时间延长,接触换热系数可能出现后续增加的趋势。 3.压强和温度是影响瞬态接触换热系数的重要因素。初始温度不变的条件下,接触换热系数随接触压强增加整体上呈增加趋势;保持高温试样温度不变,在给定压强下,接触换热系数随低温试样温度变化呈现出某种特定的变化规律,这为工程实际中模具的预热提供了必要的数据参考。 4.瞬态法与稳态法实验的基本原理是不同的,但是铝合金与模具钢间接触换热过程的实验结果表明,两种方法获得的接触换热系数值之间仍存在一定的关联性。


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