平面熱源法導熱系數和熱擴散率虛實結合實驗教學平臺

許兆峰, 李 輝, 劉志穎, 王東澤, 劉 培, 姜培學

(1. 清華大學 動力工程及工程熱物理國家級實驗教學示范中心, 北京 100084；2. 清華大學 熱科學與動力工程教育部重點實驗室, 北京 100084;3. 清華大學 能源與動力工程系, 北京 100084)

導熱系數是能源類基礎課程“傳熱學”中的重要概念,是衡量材料傳熱特性的重要指標,掌握導熱系數的求解過程和測試方法是該門課程的基本要求。相比于穩態法導熱系數測試方法[1-6],非穩態導熱系數測試方法[7-12]耗時較短,并且能夠同時獲得導熱系數和熱擴散率,對材料導熱特性優劣的評價非常有效。

本教學中心依據非穩態常功率平面熱源法導熱系數測試原理[13-14]研制了多套實驗教學裝置。但受實驗時間和實體裝置數量所限,學生在實驗課上無法進行多種材料導熱系數的測試對比；此外,實體實驗教學裝置僅能顯示試樣上下表面中心的溫度變化,不能展示試樣三維溫度場的演變過程,不利于學生直觀感受非穩態導熱過程。因此,我們又開發了一套虛擬仿真教學系統[15],與實體裝置共同組成了平面熱源法導熱系數和熱擴散率虛實結合實驗教學平臺。通過該平臺,可開展導熱系數和熱擴散率測試的課堂實驗教學和學生自主實驗,有效提高了實驗教學的質量和效率。

1 實驗原理

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

圖1 常功率平面熱源法導熱系數和熱擴散率測試技術原理圖

在試樣Ⅰ的上、下表面中間位置分別裝有熱電偶,用以測試試樣Ⅰ上、下表面的中心溫度t2和t1；在空氣中和試樣Ⅱ的上表面分別裝有熱電偶,用來測試試樣周圍的環境溫度t3和試樣Ⅱ的上表面溫度t4。

由于平面加熱片散熱均勻,并且加熱片上下兩側接觸的試樣材質相同,若忽略加熱片本身的吸熱,則加熱片向一側的散熱功率為其總加熱功率的一半：

(1)

式中,U為加熱電壓；R為加熱片電阻；F為加熱片面積。

根據非穩態導熱過程的基本理論[16-17],在初始溫度t0分布均勻的半無限大的物體中,從τ= 0 起,半無限大的物體表面(即圖1中試樣Ⅰ的下表面,設定為x=0)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)

(3)

于是由式(1)可知,

(4)

如果分別測定τi時刻、x= 0處與τj時刻、x=x1處的溫升,根據式(1)和式(2),可得：

(5)

(6)

將a的值代入式(2),可求出試樣的導熱系數(W/m·k)為：

(7)

2 虛實結合實驗教學平臺

該實驗教學平臺包括實體裝置和虛擬仿真系統兩部分。實體裝置利用非穩態平面熱源法測定導熱系數和熱擴散率,采用觸摸屏系統進行控制、數據采集和人機交互,學生可自行更換實驗試樣；虛擬仿真實驗系統與實體裝置互補,并增加了試樣溫度云圖變化過程,與實體裝置一起形成虛實結合的實驗教學平臺。

(1) 實體裝置。實體裝置部分如圖2所示,由觸摸屏控制系統、數據采集系統、可調直流穩壓電源及薄膜加熱片等組成。觸摸屏居中放置,兩側實驗區可擺放待測試樣,可在一側測試完成后立即切換至另一側繼續進行實驗,提高了教學實驗效率。兩側試樣放置區域通過透明有機玻璃與環境隔離,便于學生觀察。實驗數據通過數據采集系統傳輸至觸摸屏控制系統中,并實時在觸摸屏上進行顯示。測溫采用0.1 mm直徑的T型熱電偶,測溫精度為0.1 ℃。

觸摸屏顯示和控制通過專業軟件實現,界面如圖2所示,左側顯示測量原理圖和對應輸入參數,右側實時顯示試樣頂端、底端中心溫度隨時間變化的曲線,便于學生理解非穩態導熱過程,并可通過保護試樣頂部溫升曲線,判斷當前狀態是否滿足半無限大平面導熱的假設。實驗開始后,軟件按照選定的數據處理算法,計算出被測材料的導熱系數和熱擴散率,并顯示在觸摸屏的右下方數據區。數據處理算法包括“不修正加熱片熱容”和“修正加熱片熱容”兩種方式。實驗系統可查詢歷史數據,且溫度實驗數據可通過USB導出,供學生自行分析。

圖2 實驗裝置實物圖及操作界面

(2) 虛擬仿真系統。虛擬仿真實驗系統交互過程如圖3所示,包括選擇加熱片、選擇試樣、放置試樣、設置測量誤差、開始實驗、實驗結果6個流程,觸摸屏的布置與操作和實體裝置完全一致,配合VR設備將更具有沉浸感,達到接近真實實驗的體驗。虛擬仿真實驗支持3種不同尺寸的薄膜加熱片和6種不同材料的試樣,學生可任意組合。測試過程中,還會實時顯示試樣不同截面的溫度場分布(如圖4所示),該溫度場數據均來源于真實參數三維導熱動態數值模擬結果,使學生直觀形象地感受到三維空間中非穩態導熱的溫度場發展過程,加深對所學知識的理解。

圖3 虛擬仿真實驗系統軟件界面

圖4 不同尺寸加熱片下試樣內部溫度場分布

3 結語

本實驗教學平臺可充分發揮實體部分和虛擬仿真部分各自的優勢,提高了實驗教學的質量和效率。通過對實體部分的操作,可使學生認識客觀現象,提高動手能力,強化實驗技能；虛擬仿真部分直觀展示試樣空間溫度場動態分布,且實現了學生在線自主性實驗研究,極大地提高了實驗教學效率。在該虛實結合實驗教學平臺支持下,可引導學生發現問題、研究問題、解決問題,培養學生實踐和探索研究能力。