SFCC现场导热系数与温度场实测及预测方法研究

为确定钢纤维页岩陶粒混凝土(SFCC)现场实际的导热系数,与桥面板施工同步制作了不同钢纤维体积分数的SFCC试件,采用热板法进行测定,校核并扩展了导热系数预测公式,并且对高温沥青摊铺时SFCC桥面板的温度场进行了实测和数值模拟.结果表明:环境湿度为67%时,SFCC的实测导热系数为0.915~1.409 W/(m·K),增加钢纤维体积分数可提高SFCC导热系数;考虑湿度和钢纤维影响后的扩展Maxwell公式预测值与实测值吻合良好;高温沥青摊铺时桥面板SFCC混凝土内的温度梯度可达20.5℃,超过规范日温差,采用数值模拟可有效计算桥面板温度场.

碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数演化及微观特征

碱-热条件下膨润土缓冲层材料的导热性能是核废物深地质处置库设计的一个关键因素。对MX80膨润土粉末进行不同碱-热工况预处理,采用热针法探讨碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数的演化规律;选取代表试样分别进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)和热重分析(TGA)等试验,揭示出碱-热作用对膨润土试样矿物成分、微观形貌、孔隙结构和结合水形态等演化特征的影响机制,阐释碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数演化的微观机理。试验结果表明:碱-热条件下,膨润土试样的导热系数λ随碱液p H值的递增而减小,随环境温度T的升高而增大,在高碱性溶液(pH=13.0~14.0)和高温环境(T=60℃~90℃)中这一特性表现得尤为显著;根本原因在于试样中原有矿物成分在碱液作用下发生不同程度的溶蚀现象,表现为蒙脱石和石英含量的减少、方沸石含量的增加,导致试样中固体成分减少、孔隙率增加、表观干密度减小、吸水性能变弱,而环境温度在该过程中起到良好的促进作用。

微胶囊相变材料改良粉砂土的导热系数及预测模型

【目的】针对季节冻土地区渠道冻融破坏,分析微胶囊相变材料(microencapsulated phase change materials,mPCM)改良粉砂土层渠基的温度场,对改良粉砂土的导热系数进行研究。【方法】以mPCM为改良剂,掺入渠基粉砂土形成mPCM改良粉砂土;对mPCM改良粉砂土进行导热系数实验和内部结构表征;采用多元线性回归和支持向量机(support vector machine,SVM)方法分别建立mPCM改良粉砂土的导热系数预测模型。【结果】mPCM改良粉砂土导热系数与含水率、干密度、mPCM掺量有关,且受冰水相对含量、冰水相变潜热、mPCM相变潜热和mPCM填充密实作用的影响,具有明显的温度效应;mPCM改良粉砂土导热系数的变化与实验温度和mPCM相变温度有关,可分为快速降低、缓慢降低和逐步上升3个阶段;多元线性回归和SVM模型均能较好地拟合预测mPCM改良粉砂土的导热系数,但SVM模型更适用于表征mPCM改良粉砂土导热系数各影响因素间的非线性关系。【结论】mPCM改良粉砂土的导热系数提高能够有效调控渠基土温度场,减轻渠道冻害,且SVM模型能更加准确地进行导热系数预测。

基于激光热成像的薄膜面向导热系数测试方法

提出一种基于激光热成像的薄膜面向导热系数测试方法。仿真论证了激光加热相较于常规电加热方案的热损失差异;分析了激光加热功率、表面换热系数、测温模型增益系数等关键参数标定问题,并设计了相应的方案。基于15个不同材料或厚度的薄膜和薄片样品进行了实验,测试结果和参考值相对偏差均<6%,其中导热系数<3 W/(m·K)的样品测试误差显著优于常规方法,这表明该方法可有效改善热流环路积分法对低导热薄膜的测试精度。

基于煤颗粒−结合水复合相的水煤浆导热系数预测模型

水煤浆气流床气化是目前大型先进煤气化技术之一,提升水煤浆气化效率有助于推动煤炭清洁高效利用。水煤浆预热技术被认为是提高煤气化能源利用效率的关键技术之一。目前,复杂液固悬浮液导热系数的变化规律和内在机理仍未被完全认识。导热系数是介质流动换热的重要基础参数,表征着其在稳态导热过程的导热能力。利用瞬态热线法测定不同温度下相同质量分数水煤浆的导热系数,实验结果表明:温度越高,导热系数越高。在室温下测定不同质量分数下水煤浆的导热系数,实验结果表明可以分为2个阶段:质量分数从51%增大到58%时为下降区,导热系数快速下降,由0.401 W/(m·K)降至0.358 W/(m·K);而质量分数继续增加,从58%到67%时为恒定区,导热系数基本保持在0.358 W/(m·K)。基于实验结果,综合考虑平行模型、麦克斯韦模型、广义自洽模型等复合材料模型,提出煤颗粒−结合水复合的水煤浆导热系数平行预测模型。水煤浆中的水分包含自由水和结合水,结合水会和煤颗粒形成煤颗粒−结合水复合相,将水煤浆视为复合相和自由水相组成的两相复合材料。在下降区,随着煤颗粒质量分数的增加,自由水相减少,复合相不变,水煤浆导热系数快速降低;在恒定区,随着煤颗粒质量分数的进一步增加,复合相中的结合水量减少,但复合相的导热系数基本维持稳定。

混凝土导热系数与抗压强度的关系研究

混凝土的导热系数和抗压强度是混凝土非常重要的指标,对其影响因素的研究具有非常重要的意义。对不同水胶比和不同养护温度下混凝土导热系数和抗压强度的变化规律进行了研究,分析了各种因素与导热系数和抗压强度之间的相关性,结果表明:混凝土的导热系数与养护温度呈负相关,而抗压强度与养护温度呈正相关;混凝土导热系数和抗压强度都与水胶比呈负相关;导热系数和抗压强度之间相关性很小。

低负温养护下混凝土导热系数试验研究

以青藏高原的冻土地区的钻孔灌注桩工程为研究背景,采用热流法导热仪,基于稳态法测试低负温恒温养护下不同龄期时处于非饱和状态混凝土的导热系数,分析了不同养护温度、养护龄期和水灰比对混凝土导热系数的影响。研究结果表明:混凝土导热系数与水灰比和养护温度均呈负相关,且养护温度对混凝土导热系数的影响最大。其次是养护龄期,随着养护龄期的增加,混凝土的导热系数呈下降趋势,养护初期导热系数的下降幅度大于养护后期。

有效导热系数模型在核热推进反应堆的应用

核热推进反应堆一般选用氢气做工质,通过堆芯燃料颗粒加热到高温,以实现较高的发动机推力和比冲。基于美国核热推进火箭发动机的典型堆芯设计方案,在高温气冷堆球床有效导热系数模型的基础上,对更小直径的燃料颗粒与更高温度的氢气工质组成的颗粒床混合介质进行了初步计算,获得了燃料种类、颗粒直径、孔隙率等关键参数对堆芯导热能力的影响规律。同时,考虑到燃料颗粒采用多种材料复合而成的包覆型结构,采用均匀化方法对不同材料的基础热物性进行了等效计算,从而为有效导热系数模型提供固体域平均导热参数。从计算结果来看,颗粒直径和孔隙率对有效导热系数的影响更大,特别是高温条件下辐射换热作用占主导,使得材料自身导热系数的贡献很小。

基于闪光法的蒸汽发生器传热管导热系数的测量研究

针对蒸汽发生器传热管的导热系数很难由理论计算直接获得、通常需要通过试验测量得到的问题,基于瞬态传热原理,在保持传热管外形的基础上,运用激光闪光法设计了一种基于传热管导热系数测量装置。分别对4种不同厂家制造的690合金传热管的导热系数进行了测量,并将测得的数据在20~400℃范围内进行线性拟合,通过拟合公式,可直接求得该温度范围内任一温度条件下的导热系数,为蒸汽发生器传热计算提供可靠的参数。

不同养护温度下早龄期混凝土导热系数试验研究

为了研究低温环境下的混凝土早龄期的导热系数,采用热流计法导热仪对混凝土试件进行了导热系数测试,考察了-5℃、5℃和20℃养护环境下的早龄期混凝土导热系数,同时测定了各龄期混凝土的抗压强度。采用低场核磁共振技术,研究了不同养护温度下混凝土各龄期的含水率与孔隙率。结果表明:混凝土的含水率与孔隙率随龄期增大逐渐减小,抗压强度随龄期增大逐渐增大,导热系数与龄期和养护温度呈现负相关。

高压电力电缆土壤导热系数的反演与计算

温度和载流量是电缆运行状态及热稳定极限的重要指标参数,精确的土壤导热系数是电缆温度场准确计算的前提和基础。土壤导热系数受多种因素影响,呈现较大差异性和不确定性。为精确计算高压电力电缆实际运行工况下的温度场和载流量,本文提出了电力电缆实时土壤导热系数逆问题的数学模型和计算方法。开发了电缆表皮温度测量的分布式光纤测温系统,基于电缆表面采样点实时温度构建了分层土壤实时导热系数反演数学模型,并提出逆问题求解的改进遗传算法。实例计算结果表明,应用本文成果计算的实时或动态载流量比标称载流量高出38.08%。

冻结过程土体导热系数影响因素及预测模型研究

为探究土体导热系数的基本规律,采用瞬态平面热源法测试了冻结过程土体导热系数。研究了土体在不同温度、含水率和干密度物理指标下导热系数变化规律,分析了这三个物理指标动态变化对土体导热系数的影响机制。基于试验数据,建立了DT、RF、GBDT、AdaBoost、SVR、BPNN共六种机器学习模型以预测土体导热系数,通过四个性能指标评估了六种机器学习模型的预测能力,并与三种经验模型进行了对比。此外,基于RF和GBDT进行了特征重要性分析。结果表明:未冻结阶段土体导热系数无显著变化。剧烈相变阶段,因含水率和干密度的不同,土体导热系数随温度的降低分别呈现出减小和增大的趋势,其中增大的趋势随着含水率的增加而增加。冻结阶段,因测试过程中土样的水分蒸发和迁移,土体导热系数随着温度的降低而减小。土体导热系数均随干密度和含水率的增加而增加。根据评估结果,六种机器学习模型中RF的表现较好(RMSE=0.036,MAE=0.028,R^(2)=0.993,AD=0.004),明显优于三种经验模型,RF相较于经验模型也能更准确地预测出其他地区的土体导热系数,建议使用RF预测冻结过程土体导热系数。特征重要性分析表明含水率、温度和孔隙率是影响冻结过程土体导热系数的重要因素。

基于瞬态热桥法的固体材料导热系数测量及其不确定度的评定

在Hammerschmidt建立瞬态热桥(THB)法理论的基础上,改进了恒定输入电流模式下导热系数解析模型和修正模型,对THB测量传感器进行了结构设计和仿真验证。搭建了测量范围为0.01~150 W/(m·K)的实验装置,并对修正模型进行了测量验证。对聚苯乙烯、有机玻璃和45号钢等7种固体材料进行了实验测量,对测量结果进行了不确定度的评定,并与不同仪器的测量结果进行了比较。结果表明,实验装置的测量重复性优于1.7%,与参考值的相对偏差在±5%以内,经评定测量结果的相对扩展不确定度为U_(rel)=2.94%(k=2)。

三相土壤分形导热系数模型

土壤热导率的预测准确性对地源热泵和钻孔热能等地热相关结构设计至关重要,基于土壤复杂、随机、自相似性的微观结构特征,使用分形理论,考虑土壤的孔隙率和颗粒排列等参数对土壤弯曲度的影响,建立三相土壤有效导热系数毛细孔物理模型和对应的有效导热系数数学模型,将模型预测结果与已有实验数据进行了对比。结果表明:增加土壤颗粒排列等参数后的模型对孔隙率在0.21~1的土壤热导率预测有较高的准确性,且不同孔隙率的三相土壤热导率与土壤颗粒排列阻塞参数有关,孔隙率越大、阻塞参数越小模型预测越接近实验结果;弯曲度改变对热电比模型的串并联比例有直接影响,土壤颗粒排列对弯曲度的影响随孔隙率的增大而减小,弯曲度与三相土壤热导率的变化趋势成反比。相关结果有助于地埋管与管外三相土壤换热效率的研究。

不良导体导热系数测量仪器的改进及“温差发电”装置设计

针对高校重要的综合性热学实验—不良导体导热系数测量装置中铜盘上下表面散热不均匀、散热系数存在差异而产生实验精度不高的问题,借助水冷交换器,自制水循环装置,通过在散热盘底部分别安装两块尺寸为40*80*10(mm)和五块尺寸为40*40*10(mm)的导冷块两种方式改进装置,实现均匀散热,采集并处理数据,结果表明,第一种改进方式更佳,实验精度提高了9~15倍。在此基础上,基于半导体的塞贝克效应,利用加热盘与散热盘的余热,成功将后者由负载变为电源,设计了绿色环保发电模式—-温差发电装置,实现了发光二极管之“光”和音乐之“声”和直流电机带动扇叶之“动”,并分析了三种负载端电压与温差特点及线性元件与非线性元件的伏安特性曲线。

基于热带法测量低熔点固体的导热系数

稳态法测量导热系数的实验原理明晰,但测试时间长,且不便于测量低熔点样品;热带法是用同一条带状金属同时充当热源和温度传感器并实现导热系数高效测量的方法.基于热带法,设计了瞬态导热系数测试装置,搭建了包括测试电路和制冷系统在内的实验平台,并基于高斯-牛顿迭代法处理实验数据.性能测试结果表明:热带传感特性线性度较好,单次测试时间只需约30 s,平台可提供-15~0℃的低温测试环境,可对较低熔点的样品进行测量.从热带因存在热容吸热、热带端部的热量逸散和匹配电阻的温漂给出了减少导热系数测量偏差的措施.

裂缝尺寸对水泥基材料导热系数的敏感性分析

为了解决既有裂缝对水泥基材导热系数影响的问题,简化裂缝尺寸表征,通过3D打印技术制作裂缝模型,采用瞬态平面热源法研究裂缝尺寸(深度、宽度)对常见水泥基材料混凝土、水泥砂浆的导热系数的影响。结果表明:干燥情况下,混凝土的导热系数大于水泥砂浆。裂缝替代了混凝土水泥砂浆原有的孔隙结构,裂缝中的空气导致材料的导热系数减小。随着裂缝尺寸的增大,导热系数逐渐减小,减小幅度逐渐降低。混凝土、水泥砂浆的导热系数随裂缝尺寸的变化关系是一条曲线,曲线的斜率逐渐降低。二者的导热系数对裂缝的宽度更为敏感。

创新型传热学导热系数教学实验的设计与实践

为提升传热实验教学效果,基于教研相长思路和水合物热物性研究成果,提出创新型综合实验方案及教学效果评价指标。该实验方案包括不同水合物样品制备、测试仪参数设置与数据筛选,体现了实验的探究性和创新性,激发了学生实验的积极性和主动性。基于水合物样品的丰富性,该实验采用分组方式制备不同测试样品,通过组内合作讨论和组间参数交流,既能锻炼学生的逻辑思维和创新实践能力,也提升了实验教学效果,促进了学生对传热学基本知识的理解。根据实验教学特点和教学目标制定了教学效果评价指标,调研结果表明,该综合实验教学效果良好。

基于正余弦优化算法的电缆水平顶管敷设方式下土壤导热系数计算

水平顶管是电缆线路穿越河流、街道的一种重要敷设方式。作为事关散热优劣的重要参数,土壤导热系数对载流量的准确计算至关重要。为此,针对水平顶管敷设方式下双回路电力电缆建立了热-流耦合有限元计算模型,采用经标准化改进后的正余弦优化算法对等效导热系数进行优化选取,得出实际敷设工况下的等效土壤导热系数,进而计算电缆载流量。此外,对正余弦优化算法的改进使得其内部搜索能力增强,优化计算速度提高。

细观结构灌浆沥青混凝土导热系数研究

路面的导热系数和传热效率影响着城市热岛效应和冬季路面凝冰现象的发生。为从细观结构的角度研究灌浆沥青混凝土导热系数的影响因素,通过离散元软件PFC 3D生成灌浆沥青混凝土的细观模型,在COMSOL Multiphysics中对导热系数进行模拟,并进行理论计算。在实验室内进行灌浆混凝土的导热系数试验,相对误差为6.42%,验证细观模型模拟的准确性。通过验证的模型,分析不同空隙率和沥青混凝土骨架、水泥砂浆导热系数变化对灌浆沥青混凝土导热系数的影响。结果表明:空隙率在20%~28%之间,灌浆沥青混凝土导热系数与空隙率的改变近似呈线性变化,空隙率每增加2%,导热系数降低约3.1%;灌浆沥青混凝土导热系数随水泥砂浆和沥青混凝土骨架导热系数的增大而增大,但随着水泥砂浆和骨架导热系数值的不断增大,灌浆沥青混凝土的导热系数增长幅度越来越慢。