平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

李 輝, 劉志穎, 許兆峰, 王東澤, 史 琳

(1. 清華大學(xué) 動(dòng)力工程及工程熱物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 北京 100084;2. 清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

李 輝1, 劉志穎1, 許兆峰1, 王東澤1, 史 琳2

(1. 清華大學(xué) 動(dòng)力工程及工程熱物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 北京 100084;2. 清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

介紹了平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)包括導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、誤差分析及測(cè)試算法修正等多項(xiàng)功能。虛擬實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)試樣截面溫度云圖動(dòng)畫(huà)和測(cè)點(diǎn)溫度曲線實(shí)時(shí)顯示試樣溫升,使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更生動(dòng)直觀。該系統(tǒng)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,與實(shí)體的實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作相結(jié)合,拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)趣味性和研究性,能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,增強(qiáng)教學(xué)效果,同時(shí)也有助于節(jié)約實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)成本。

虛擬仿真系統(tǒng)； 導(dǎo)熱系數(shù)； 熱擴(kuò)散率； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 平面熱源法

在傳熱學(xué)的本科教學(xué)工作中,材料導(dǎo)熱系數(shù)的定義及其求解過(guò)程是最為基礎(chǔ)和重要的教學(xué)環(huán)節(jié)之一。絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)也是一項(xiàng)幾乎所有學(xué)校都會(huì)安排的基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。各院校的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常是用穩(wěn)態(tài)法平板導(dǎo)熱儀器,缺乏針對(duì)非穩(wěn)態(tài)法的平板導(dǎo)熱測(cè)定方法的教學(xué)儀器。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱測(cè)試方法測(cè)試時(shí)間短,而且能夠同時(shí)獲得導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率(導(dǎo)溫系數(shù)),對(duì)材料導(dǎo)熱特性優(yōu)劣的評(píng)價(jià)非常有意義,目前用于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱測(cè)試儀器主要用于科研和專業(yè)研究單位中[1-8]。導(dǎo)熱測(cè)試儀器價(jià)格昂貴,測(cè)試費(fèi)用高,數(shù)據(jù)處理過(guò)程也不公開(kāi),很難用于導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程；有些科研用的導(dǎo)熱測(cè)試儀器簡(jiǎn)單地連接各種獨(dú)立設(shè)備,如數(shù)據(jù)采集卡、直流穩(wěn)壓電源等,存在操作不便等問(wèn)題。我校已開(kāi)發(fā)了非穩(wěn)態(tài)法的平板導(dǎo)熱測(cè)定教學(xué)儀器，但由于設(shè)備較昂貴,無(wú)法達(dá)到1人1機(jī)或2人1機(jī)的儀器配置，并且該儀器有較嚴(yán)格的操作要求,稍有操作不當(dāng)就需要從頭開(kāi)始,因而導(dǎo)致學(xué)生將大量時(shí)間耗費(fèi)在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中,降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并沒(méi)有達(dá)到通過(guò)實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)原理的目的。因此,依托已有的非穩(wěn)態(tài)法的平板導(dǎo)熱測(cè)定教學(xué)儀器,開(kāi)發(fā)一套具有人機(jī)交互功能、能夠直觀生動(dòng)展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可極大地豐富現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容,提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

我校動(dòng)力工程及工程熱物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開(kāi)發(fā)的平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9-10],能夠豐富和拓展了原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段,能使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理和操作有更好的理解；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,學(xué)生也可對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差的影響因素進(jìn)行更深入的分析；該系統(tǒng)還可以展示傳統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難以獲得的實(shí)驗(yàn)樣件內(nèi)部隨時(shí)間變化的溫度云圖。

1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示,試材Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的材料相同,其厚度分別為x1、δ和x1+δ。試材Ⅰ的長(zhǎng)寬是厚度的8～10倍。試材Ⅰ和Ⅲ之間放置一個(gè)均勻的平面加熱片。電加熱片用直流穩(wěn)壓電源供電加熱。

在試材Ⅰ的上、下表面中間分別裝有銅-康銅熱電偶2和熱電偶1,用以測(cè)試試材Ⅰ上、下表面的溫度t2和t1；熱電偶3和熱電偶4則分別用來(lái)測(cè)試試件周圍的溫度環(huán)境t3和試材Ⅱ的上表面溫度t4。

由于采用對(duì)稱加熱面方法,平面熱源的熱功率q0實(shí)際為總加熱功率的一半，即有

(1)

上式中,U為加熱電壓；R為加熱片電阻；F為加熱片面積。

根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程的基本理論[11],在初始溫度t0分布均勻的半無(wú)限大的物體中,從時(shí)間τ= 0 起,半無(wú)限大的物體表面(即圖1中x= 0 的平面)受均勻分布的平面熱源q0(W / m2)的作用,在常物性條件下,離表面x處的溫升θx,τ=tx,τ-t0為

(2)

式中，λ為熱導(dǎo)系數(shù)，α為導(dǎo)溫系數(shù)。

圖1 常功率平面熱源法同時(shí)測(cè)定絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ和導(dǎo)溫系數(shù)a原理圖

(3)

于是,由式(1)可知:

(4)

如果分別測(cè)定τi時(shí)刻,x= 0處與τj時(shí)刻,x=x1處的溫升,根據(jù)式(1)和式(2)

(5)

(6)

將a的值代入式(2),可求出試材的導(dǎo)熱系數(shù)為

(7)

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件界面如圖2所示,分為虛擬實(shí)驗(yàn)、誤差分析和模型修正3個(gè)子界面,可通過(guò)下方標(biāo)簽頁(yè)進(jìn)行切換。以虛擬實(shí)驗(yàn)界面為例,左側(cè)上方為測(cè)試原理圖,顯示了試樣和測(cè)點(diǎn)的放置位置,在測(cè)試過(guò)程中還會(huì)實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)中間截面的溫度場(chǎng)分布；左側(cè)下方可通過(guò)預(yù)置的物性庫(kù)選擇不同種類和物性參數(shù)的實(shí)驗(yàn),通過(guò)輸入框給定合適的加熱功率,加熱片相關(guān)信息在右邊注釋中進(jìn)行說(shuō)明,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師可在設(shè)置中更改加熱片參數(shù)。右側(cè)為溫升曲線和數(shù)據(jù)表格,試樣溫升曲線可用于查看試樣溫升是否在合適范圍,保護(hù)樣溫升曲線可用于判斷非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程是否穿透保護(hù)樣,數(shù)據(jù)表格顯示了當(dāng)前溫升數(shù)據(jù)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散測(cè)試值及相對(duì)真值的誤差；右下角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出按鈕可導(dǎo)出當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),供學(xué)生自行分析。

3 系統(tǒng)功能

虛擬實(shí)驗(yàn)界面用于模擬實(shí)際測(cè)試過(guò)程,當(dāng)完成試樣選擇和加熱功率設(shè)置后,點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)試,系統(tǒng)根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程模擬試樣溫升,并通過(guò)溫度云圖(見(jiàn)圖3)和升溫曲線2種方式顯示,生動(dòng)直觀。當(dāng)升溫滿足預(yù)設(shè)條件時(shí),自動(dòng)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù),并比較其與真實(shí)值的偏差,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和原始數(shù)據(jù)均可導(dǎo)出供學(xué)生自行進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

圖2 虛擬仿真系統(tǒng)軟件界面

圖3 不同時(shí)刻試樣內(nèi)部溫度場(chǎng)分布

誤差分析界面可研究測(cè)溫元件精度、測(cè)點(diǎn)位置偏離中心程度和加熱器熱容量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[12]。通過(guò)對(duì)上述因素影響的分析,學(xué)生能夠深入地理解誤差產(chǎn)生的原因,提出減小誤差的措施。

算法修正則支持學(xué)生使用指定的編程語(yǔ)言和接口導(dǎo)入自行編寫(xiě)的誤差處理程序,對(duì)加熱器熱容量帶來(lái)的誤差進(jìn)行修正。此外,實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)既可以通過(guò)本系統(tǒng)模擬產(chǎn)生,也可以導(dǎo)入真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)存在的問(wèn)題,結(jié)合我校動(dòng)力工程及工程熱物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心研制的非穩(wěn)態(tài)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1) 可顯示真實(shí)實(shí)驗(yàn)中難以獲得的實(shí)驗(yàn)樣品內(nèi)部隨時(shí)間變化的實(shí)時(shí)溫度云圖；

(2) 可設(shè)置測(cè)量誤差,測(cè)定位置偏差和加熱器熱容大小,供學(xué)生分析上述因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率測(cè)試結(jié)果的影響；

(3) 可導(dǎo)入學(xué)生編寫(xiě)的修正算法,并通過(guò)模擬或真實(shí)的試樣溫升曲線驗(yàn)證修正方法的測(cè)量誤差。

本系統(tǒng)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,與實(shí)體的實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作相結(jié)合,拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)趣味性和研究性,能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,增強(qiáng)教學(xué)效果,同時(shí)也有助于節(jié)約實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)經(jīng)費(fèi)。

References)

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Development of virtual simulation experiment for thermal conductivity and thermal diffusivity by using plane heat source method

Li Hui1, Liu Zhiying1, Xu Zhaofeng1, Wang Dongze1, Shi Lin2

(1. National Experimental Teaching Demonstration Center for Power Engineering and Engineering Thermophysics,Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Key Laboratory for Thermal Sciences and Power Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

A virtual simulation system is developed to do the instructional experiment of thermal conductivity and diffusivity measurement. This simulation system provides multiple functions, such as virtual experiment, experimental error analysis and revision. This system can combine the real experimental apparatus to enhance the experimental effect and save laboratory construction costs.

virtual simulation system； thermal conductivity; thermal diffusivity; experimental teaching; plant teat source method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.002

2016-10-14 修改日期：2016-11-07

李輝(1971—)，女，湖北荊州，博士，高級(jí)工程師，從事能源動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)發(fā)和科研實(shí)驗(yàn)研究.

E-mail：hui-li@mail.tsinghua.edu.cn

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2017)5-0005-03