单、双热针法测量热物性参数的比较分析研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号: 083333 单、双热针法测量热物性参数的比较分析 岳贤德，孙创，夏新林 （哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨 150001 ） （Tel:0451 E-mail: xiaxl@hit.edu.cn ） 摘 要：对于材料的导热系数和热扩散率的测量，单热针法和双热针法在测量原理和计算公式等方面 均不一致。本文对二者的测量原理和方法进行了阐述，并通过对某一已知热物性参数材料进行的数值 模拟，比较分析单、双热针在计算精度和响应灵敏度等方面存在的差异。模拟结果表明：在相同的计 算条件下，双热针法所得到的导热系数和热扩散率更接近被测材料的真实值，但单热针法对温度的响 应更为敏感。 关键词：单热针法；双热针法；热物性参数测量 1 引言 热针法作为物性瞬态测量的一种方法，相比于多在实验室进行稳态测量而言，具有 可直接进行实地测量的优点；与同为瞬态测量的热线法相比，优势在于结构稳定，操作 简单。所以，近年来热针法在生物医学[1] [2] [3, 4] 、食品 及土壤学 中得到广泛应用，测量介 质包括松散粉末、固体颗粒和液体的导热系数和热扩散率[5, 6] 。鉴于热针法的诸多优势， 相关报道中已介绍了其用于月壤及火壤的热物性测量中，在其地面实验的介绍文章已介 绍了其理论原理和实施方案。 目前较常用的热针法包括单热针法和双热针法。两种方法虽然都有广泛应用，以地 面上进行的土壤热物性参数测量为例[7, 8]，既有采用单热针法，也有采用双热针法。文 章均以得到欲知的物性参数为止，缺乏二者的比较分析。由于单、双探针在测量原理和 公式反演中均不相同，本文在分别介绍了二者的测量原理基础上，通过数值模拟某已知 材料的物性参数，从测量精度和温度响应的灵敏度两个方面对两种方法进行比较分析。 2 原理 2.1 单热针法原理 热针是一带尖头且可以方便刺入被测材料的细长针状探头，主要由三部分组成：加 热元件、填充材料和套管。热针插入初始温度T0 的边界无限大试样内，给热针施加瞬时 加热功率Q （其单位长度加热功率为 q Q / l ），致使其壁面温度T 升高,而T 变化速率 w w 与被测介质的导热系数λ和热扩散率a等有关。 被测介质的二维非稳态导热模型为: ∂T a ∂ ∂T ⎛ ⎞ r (t0, r =r +∞) (1) ⎜ ⎟ p ∂t r ∂r ⎝ ∂r ⎠ 热针自身的热平衡公式为： 2 ∂T ∂T π ρ 2πλ 0, (2) r c q =+ r (t r ≤r ) ∂t ∂r p 资助项目：国家自然科学基金（No）。 两式中， 为被测介质热扩散率， 为热针半径，ρ 为探针密度， 为探针比热。 a