清华大学航天航空学“传热学”实验报告.doc

【实验一名称】瞬态热线法测量多孔介质的热导率 【实验原理】 1238564791. 直流电源 6. 白金丝支架2. 标准电阻 7. 支架底座3. 多孔介质槽 8. 安捷伦数据采集器4. 接线柱 9. 电压表5. 白金丝 图1.实验装置示意图 图2.物理模型 实验装置如图1所示将一根细长白金丝埋在初始温度均匀的待测材料中白金丝同时充当加热器和温度传感器通电加热后测定白金丝温度随时间的变化据此推出其周围介质的热导率。该实验的特点是测量时间短对试样尺寸无特殊要求。 物理模型如图2所示单位长度上加热丝发出的热流为 2//qIRlIUl 1 式中I和U为通过白金丝的电流与加载在白金丝上的电压R是白金丝的电阻值。 白金丝发热量较小介质可视为无限体导热微分方程、初始和边界条件 221pTTTctrrr00rrt 2 0TT0t 02Trqr00rrt 解得加热丝表面处待测介质温度 2220003301exp/2turqTrtTduuu 3 式中是试样与加热丝热容之比的2倍。 220101uuJuJuuYuuYu 4 式中J0uJ1u为第一类贝塞尔??数的零阶、一阶函数Y0u、Y1u为第二类贝塞尔函数的零阶、一阶函数u为积分变量。 当t足够大 2014rt 5 式3中指数积分可用级数展开近似忽略小量得到 00204ln4qtTrtTCr 6 式中欧拉常数C0.5772为介质的热扩散率。令过余温度00TrtT由式6可得 ln4dqdt 7 //4ln4lnqdIUddtldt 8 实验中白金丝长径比大于2000可以忽略端部效应的影响实验测得白金丝轴向平均温度0Trt可视为以上各式中的0Trt白金丝平均温度0Trt与其电阻tR的关系如下 0001-tRRTrtT 9 式中0R是初始温度0T取当时室温时白金丝的零点不通电加热电阻通入较大电流后t时刻白金丝电阻和平均温度分别为tR和0Trt为白金丝的电阻温度系数0.0039K-1。 【实验器材】 直流电源Advantest R6243 1台 多孔介质及样品槽 1套 安捷伦数据采集器主机34970A模块34901A 1台 电压表 1台 白金丝直径100μm99.99 若干 标准电阻 1个 铜康铜热电偶 1支 【实验流程】 1. 将白金丝长度、电阻约为0.2m、3Ω焊在支架上连接电路、数据采集器和电压表线路后将其放入样品槽底部中间位置 2. 用待测多孔介质将白金丝埋好多孔介质总高度约为230mm 3. 打开数据采集器及其软件配置采集白金丝上加载电压、环境温度的通道扫描间隔时间为1s 4. 通入恒定小电流I0白金丝基本不升温测定白金丝上和标准电阻上由电压表测定U0加载的电压得到初始温度T0时白金丝的零点电阻R0导出数据采集卡采集的数据并记录电压表读数 5. 只打开测定白金丝上加载电压的通道并将扫描间隔时间设为50ms开始数据采集后通入较大的恒定电流I白金丝平均温升510K待白金丝上加载的电压变化较小后停止实验约采集4分钟标准电阻上加载的电压U仍由电压表测定导出数据采集卡采集的数据并记录电压表读数 6. 结束实验断开加热丝的供电电路。 【实验数据】 表1 基本参数记录 白金丝长度 白金丝直径 标准电阻 I0 电压表读数U0 I 电压表读数U1 铂丝初始电阻R0U/ I 初始环境温度T02 0.2193m 10-4m 1Ω 5.04mA 5.04mV 5.04mA 15.2mV 3.02Ω 19.06゜C I1300mA和I2330mA时的原始数据分别见“传热试验数据”文件夹“300mV.xlsx” 和“330mV.xlsx”。 【数据整理】 数据的整理步骤如下 1. 通入恒定小电流I0白金丝基本不升温测定白金丝上和标准电阻上由电压表测定U0加载的电压得到初始温度T0时白金丝的零点电阻R0 2. 通入较大的恒定电流I白金丝平均温升510K待白金丝上加载的电压变化较小后停止实验约采集4分钟标准电阻上加载的电压U仍由电压表测定。根据R0、 I1300mA和铂丝电压Ut求得铂丝电阻Rt进而由公式9求得铂丝过余温度θ。 3. 作“lnt-θ曲线”在直线段部分取间距较大的两点即取点时舍弃前面一段弧线求得斜率2121k/lnt lnt。 4. 再根据公式8推导出热导率/4tIUlk。 第3步 提到的“lnt-θ曲线”图是通过matlab作出的。I1300mA和I2330mA时作图分 1 通过对实验数据表“初始温度.xlsx”“101 VDC”一列取平均值得到。 2 通过对实验数据表“初始温度.xlsx”“103 C”一列取平均值得到。 别见下 得15.7145.000k0.3684.9473.007327.4936.034k0.4615.2022.03510.9253tUV21.0245tUV11110.30.92530.