李 輝, 劉志穎, 許兆峰, 王東澤, 史 琳

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

平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴散率虛擬仿真實驗開發(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) 動力工程及工程熱物理國家級實驗教學(xué)示范中心, 北京 100084;2. 清華大學(xué) 熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室, 北京 100084)

介紹了平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴散率測試虛擬仿真實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)包括導(dǎo)熱系數(shù)測量的虛擬仿真實驗、誤差分析及測試算法修正等多項功能。虛擬實驗中可通過試樣截面溫度云圖動畫和測點溫度曲線實時顯示試樣溫升,使實驗現(xiàn)象更生動直觀。該系統(tǒng)將虛擬仿真實驗引入實驗教學(xué)中,與實體的實驗臺操作相結(jié)合,拓展了實驗內(nèi)容,增強了實驗趣味性和研究性,能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,增強教學(xué)效果,同時也有助于節(jié)約實驗室硬件建設(shè)成本。

虛擬仿真系統(tǒng)； 導(dǎo)熱系數(shù)； 熱擴散率； 實驗教學(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)測定實驗也是一項幾乎所有學(xué)校都會安排的基礎(chǔ)教學(xué)實驗。各院校的導(dǎo)熱系數(shù)測量實驗系統(tǒng)通常是用穩(wěn)態(tài)法平板導(dǎo)熱儀器,缺乏針對非穩(wěn)態(tài)法的平板導(dǎo)熱測定方法的教學(xué)儀器。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱測試方法測試時間短,而且能夠同時獲得導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散率(導(dǎo)溫系數(shù)),對材料導(dǎo)熱特性優(yōu)劣的評價非常有意義,目前用于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱測試儀器主要用于科研和專業(yè)研究單位中[1-8]。導(dǎo)熱測試儀器價格昂貴,測試費用高,數(shù)據(jù)處理過程也不公開,很難用于導(dǎo)熱實驗教學(xué)過程；有些科研用的導(dǎo)熱測試儀器簡單地連接各種獨立設(shè)備,如數(shù)據(jù)采集卡、直流穩(wěn)壓電源等,存在操作不便等問題。我校已開發(fā)了非穩(wěn)態(tài)法的平板導(dǎo)熱測定教學(xué)儀器，但由于設(shè)備較昂貴,無法達到1人1機或2人1機的儀器配置，并且該儀器有較嚴格的操作要求,稍有操作不當(dāng)就需要從頭開始,因而導(dǎo)致學(xué)生將大量時間耗費在重復(fù)實驗中,降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并沒有達到通過實驗提升學(xué)生領(lǐng)會實驗原理的目的。因此,依托已有的非穩(wěn)態(tài)法的平板導(dǎo)熱測定教學(xué)儀器,開發(fā)一套具有人機交互功能、能夠直觀生動展示實驗現(xiàn)象的虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng),可極大地豐富現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容,提升實驗教學(xué)效果。

我校動力工程及工程熱物理國家級實驗教學(xué)示范中心開發(fā)的平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴散率測試虛擬仿真實驗系統(tǒng)[9-10],能夠豐富和拓展了原有實驗教學(xué)內(nèi)容；在實驗預(yù)習(xí)階段,能使學(xué)生對實驗的原理和操作有更好的理解；實驗結(jié)束后,學(xué)生也可對實驗誤差的影響因素進行更深入的分析；該系統(tǒng)還可以展示傳統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱實驗過程中難以獲得的實驗樣件內(nèi)部隨時間變化的溫度云圖。

1 實驗原理

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的長寬是厚度的8～10倍。試材Ⅰ和Ⅲ之間放置一個均勻的平面加熱片。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則分別用來測試試件周圍的溫度環(huán)境t3和試材Ⅱ的上表面溫度t4。

由于采用對稱加熱面方法,平面熱源的熱功率q0實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)熱過程的基本理論[11],在初始溫度t0分布均勻的半無限大的物體中,從時間τ= 0 起,半無限大的物體表面(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測定絕熱材料的導(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)

如果分別測定τi時刻,x= 0處與τj時刻,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 虛擬仿真實驗系統(tǒng)介紹

本虛擬仿真實驗系統(tǒng)軟件界面如圖2所示,分為虛擬實驗、誤差分析和模型修正3個子界面,可通過下方標簽頁進行切換。以虛擬實驗界面為例,左側(cè)上方為測試原理圖,顯示了試樣和測點的放置位置,在測試過程中還會實時顯示實驗中間截面的溫度場分布；左側(cè)下方可通過預(yù)置的物性庫選擇不同種類和物性參數(shù)的實驗,通過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行說明,實驗指導(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,保護樣溫升曲線可用于判斷非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程是否穿透保護樣,數(shù)據(jù)表格顯示了當(dāng)前溫升數(shù)據(jù)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散測試值及相對真值的誤差；右下角實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出按鈕可導(dǎo)出當(dāng)前的實驗數(shù)據(jù),供學(xué)生自行分析。

3 系統(tǒng)功能

虛擬實驗界面用于模擬實際測試過程,當(dāng)完成試樣選擇和加熱功率設(shè)置后,點擊開始測試,系統(tǒng)根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程模擬試樣溫升,并通過溫度云圖(見圖3)和升溫曲線2種方式顯示,生動直觀。當(dāng)升溫滿足預(yù)設(shè)條件時,自動計算導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù),并比較其與真實值的偏差,實驗結(jié)果和原始數(shù)據(jù)均可導(dǎo)出供學(xué)生自行進行數(shù)據(jù)處理和分析。

圖2 虛擬仿真系統(tǒng)軟件界面

圖3 不同時刻試樣內(nèi)部溫度場分布

誤差分析界面可研究測溫元件精度、測點位置偏離中心程度和加熱器熱容量對實驗結(jié)果的影響[12]。通過對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言和接口導(dǎo)入自行編寫的誤差處理程序,對加熱器熱容量帶來的誤差進行修正。此外,實驗原始數(shù)據(jù)既可以通過本系統(tǒng)模擬產(chǎn)生,也可以導(dǎo)入真實實驗臺的測試結(jié)果。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有測量導(dǎo)熱系數(shù)教學(xué)實驗臺存在的問題,結(jié)合我校動力工程及工程熱物理國家級實驗教學(xué)示范中心研制的非穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散率實驗裝置,開發(fā)了對應(yīng)的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有以下特點:

(1) 可顯示真實實驗中難以獲得的實驗樣品內(nèi)部隨時間變化的實時溫度云圖；

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

(3) 可導(dǎo)入學(xué)生編寫的修正算法,并通過模擬或真實的試樣溫升曲線驗證修正方法的測量誤差。

本系統(tǒng)將虛擬仿真實驗引入實驗教學(xué)中,與實體的實驗臺操作相結(jié)合,拓展了實驗內(nèi)容,增強了實驗趣味性和研究性,能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性,增強教學(xué)效果,同時也有助于節(jié)約實驗室硬件建設(shè)經(jīng)費。

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，高級工程師，從事能源動力工程實驗教學(xué)開發(fā)和科研實驗研究.

E-mail：hui-li@mail.tsinghua.edu.cn

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2017)5-0005-03