含水保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型

劉超 王后密 關(guān)召帥 李東慶 明鋒

摘 要：為更好描述含水條件下保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化，基于保溫材料的高分散相體積特點(diǎn)，在經(jīng)典Ｃｈｅｎｇ?Ｖａｃｈｏｎ 模型基礎(chǔ)上，通過改變分散相形狀，提出了一種適用于任意分散相體積分?jǐn)?shù)的多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型。通過引入體積修正系數(shù)，來間接反映傳熱路徑、界面熱阻、分散相形狀等因素對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，進(jìn)而提高模型的預(yù)測精度。最后，利用實(shí)測數(shù)據(jù)及已有模型對改進(jìn)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的可靠性，導(dǎo)熱系數(shù)與分散相體積成負(fù)相關(guān)關(guān)系，而導(dǎo)熱系數(shù)與含水率成正相關(guān)關(guān)系。拓展了Ｃｈｅｎｇ?Ｖａｃｈｏｎ 模型在保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測中的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：渠道工程；保溫材料；導(dǎo)熱系數(shù)；體積修正

中圖分類號：ＴＶ４９；ＴＶ９１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１２．０２８

引用格式：劉超，王后密，關(guān)召帥，等．含水保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１２）：１５７－１６２．

受季節(jié)性氣溫變化的影響，我國北方地區(qū)的渠道經(jīng)常發(fā)生凍脹、融沉破壞，導(dǎo)致渠道失去輸水、防滲功能［１］ 。為減少寒區(qū)渠道凍脹破壞，通常采用在渠底鋪設(shè)保溫板的方式來消減凍脹影響［２］ 。然而，受多孔吸濕特征的影響，保溫材料在服役過程中產(chǎn)生吸濕［３］ ，導(dǎo)致其含水率發(fā)生變化。通常條件下，保溫層設(shè)計(jì)厚度依據(jù)干燥狀態(tài)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)確定。由于熱工計(jì)算過程中忽略了含水率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響［４］ ，導(dǎo)致保溫層設(shè)計(jì)厚度不足，這將影響保溫防凍效果，因此合理確定保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)是渠道保溫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

受服役環(huán)境的影響，保溫材料可能從干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)為含水狀態(tài)［５－６］ 。因?yàn)樗质怯绊懕夭牧蠈?dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵因素，所以學(xué)者們在含水材料導(dǎo)熱系數(shù)測試方面開展了大量工作［７－８］ 。研究結(jié)果表明：保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)均隨含水率的增大而增大，但不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)對含水率的響應(yīng)有所差別［９］ ，當(dāng)體積含水率在０～３．５％范圍時，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增大線性增長［１０］ ；對于ＥＰＳ 材料，采用二次冪函數(shù)來描述導(dǎo)熱系數(shù)和體積含水率的關(guān)系更為合適［１１］ ；對于木屑－混凝土復(fù)合材料，可用指數(shù)函數(shù)描述其在高含水率時導(dǎo)熱系數(shù)與含水率的關(guān)系［７，１１］ 。雖然可采用實(shí)測方法擬合得到導(dǎo)熱系數(shù)與含水率的關(guān)系，但是某一材料的試驗(yàn)結(jié)果并不能推廣到其他材料。

含水保溫材料可以認(rèn)為是一種由連續(xù)相和離散相組成的兩相材料。對于兩相材料，其基本的導(dǎo)熱系數(shù)模型有并聯(lián)模型、串聯(lián)模型、Ｍａｘｗｅｌｌ?Ｅｕｃｋｅｎ 模型和等效介質(zhì)理論模型等［１２］ 。串聯(lián)模型和并聯(lián)模型分別假設(shè)熱流是垂直和平行兩相材料，而復(fù)合材料的組分是隨機(jī)分布的。盡管串聯(lián)、并聯(lián)模型的適用范圍廣，但其預(yù)測精度不高［１３］ 。與串聯(lián)和并聯(lián)模型相比，Ｍａｘｗｅｌｌ?Ｅｕｃｋｅｎ 模型和等效介質(zhì)理論模型可較好地預(yù)測材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)，但這兩種模型并不適用分散相體積較大的情況［１４］ 。上述模型均以組分體積分?jǐn)?shù)為核心，并未涉及材料的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)［１５］ 。為此，在基本導(dǎo)熱模型的基礎(chǔ)上，研究者們加入氣孔尺寸、形狀等因素的影響，對多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)模型進(jìn)行改進(jìn)［１６］ 。