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        含水保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型

        2024-01-12 19:09:42劉超王后密關(guān)召帥李東慶明鋒
        人民黃河 2023年12期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)熱系數(shù)保溫材料

        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,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數(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,進而提高模型的預(yù)測精度。最后,利用實測數(shù)據(jù)及已有模型對改進模型的有效性進行驗證。結(jié)果表明:試驗結(jié)果驗證了模型的可靠性,導(dǎo)熱系數(shù)與分散相體積成負相關(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 文獻標志碼: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] 。因為水分是影響保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵因素,所以學者們在含水材料導(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結(jié)果并不能推廣到其他材料。

        含水保溫材料可以認為是一種由連續(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數(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)模型進行改進[16] 。

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