微重力下熱線法測量高溫熔體的數值模擬研究

摘 要： 為提高微重力條件下熱線法對熔體導熱系數的測量精度，探究電壓引線位置、熱絲溫升變化和樣品物性變化等因素對結果的影響，通過建立數學模型研究熱絲在腔體內的傳熱過程，研究陶瓷管內導線發熱對熱絲端部的影響，分析熱絲電阻變化和熔體導熱系數增加對測量結果的影響。結果表明：導熱系數越大，陶瓷管內導線對端部的傳熱影響越小；通過比較各監測點溫度的一致性，確定電壓引線可接在距離端部5～7 mm 的位置；熱絲溫升在4 K 以內時，熱絲電阻變化引起的導熱系數偏差在2% 以內；針對所研究的樣品，加熱功率在8 W 以下時，樣品導熱系數改變對結果的影響在2% 以內。

關鍵詞： 熔體; 導熱系數; 瞬態熱線法; 數值模擬

中圖分類號： TB9; TK124 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0040–07

0 引 言

熔體出現在諸多行業中，在冶金和航空航天技術中，熔體凝固時的傳熱過程可以影響金屬、合金、陶瓷等材料的強度和其他特性。在核電站和太陽能電站中，熔體的傳熱還會影響其運行效率[1]。晶體的生長質量同樣受到熔體結構及物性的影響[2]。因此熔體導熱系數的準確測量對工業生產以及科學研究有著重要意義[3-5]。由于熱線法能采集到樣品對流前的數據，迅速準確地進行測量，是測量流體，甚至熔體導熱系數的較好方法 [6]。微重力環境下浮力對流的大大減小，為高溫熔體導熱系數的測量提供了難得的機遇，在微重力條件下進行高溫熔體導熱系數的測量可得到更為準確的結果[7]。

隨著計算機和計算流體力學（CFD） 技術的發展，前人通過數值模擬得到了熱線法測量裝置內的溫度分布，分析了加熱功率、熱絲尺寸、邊界條件和材料厚度等諸多影響因素[8-9]，并將數值模擬引入數據處理過程[10]。在單熱線法中，何處接入電壓引線往往依據經驗值選取，實驗中通入恒定電流加熱時，熱絲電阻的增加會改變加熱功率，并且測量時熔體樣品的導熱系數也有所改變，這都會使結果產生偏差，而針對這些問題的模擬分析鮮有報道。

因此，本文結合數值模擬，針對微重力條件下高溫熔體的測量，研究了陶瓷管中導線發熱對熱絲端部傳熱的影響，以及熱絲電阻變化和樣品導熱系數增加對結果的影響。