[发明专利]一种同时辨识材料的热导率和热容的方法及测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料分析技术领域，特别是指一种同时辨识材料的热导率和热容的方法及测试装置。

背景技术

近年来，随着我国对节能的重视以及对防热的要求提高，材料热物性参数的辨识越来越受到重视。通常材料热物性参数有两种方法可以确定，即直接测试和计算，直接测量方法过程比较复杂，测量费用较高，尤其是对于变热物性参数的材料，需要对各个温度点的热物性参数进行重复测试，效率较低；而计算方法对于多参数同时辨识结果误差较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种同时辨识材料的热导率和热容的方法及测试装置，能够降低辨识材料的热导率和热容的复杂程度误差。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种同时辨识材料的热导率和热容的方法，所述方法包括：

测量测试材料表面的发射率；

测量测试材料表面的热流密度；

测量测试材料内部的温度历程；

获取测试材料热物性参数；

假设测试材料热物性参数已知，利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布,以计算温度分布和实测温度历程的偏差构造目标函数，通过L-M方法对材料热物性参数进行优化，得到测试材料随温度变化的热导率和热容。

优选的，所述当测试材料热物性参数已知时，利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布包括:

将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布控制方程，计算材料内部的温度分布；

材料内部的温度分布控制方程如下：

其中，T为材料内部温度分布，x为热传导方向，k(T)和c_p(T)为材料随温度变化的热导率和热容，t为时间；

测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件如下：

T(x,0)＝T₀

其中，q”为材料表面的热流密度，ε为材料表面的发射率，T₀为材料初始时刻的温度，T_l为x＝l处的温度。

优选的，所述将测试材料内部温度满足的边界条件和初始条件带入材料内部的温度分布控制方程，计算材料内部的温度分布，包括：

利用基尔霍夫变换将材料内部的温度分布控制方程由非线性变换为线性，变换后的形式如下：

其中，k₀为温度为T₀时k(T)的值，

通过有限差分方法求解U(x,t)，进而通过U(x,t)和T的对应关系求出材料内部的温度分布。

优选的，所述方法还包括：

当测试材料热物性参数未知时，设置测试材料热物性参数初始值；

利用所述测试材料热物性参数初始值计算材料内部的温度历程；

将计算的材料内部的温度历程与测量的测试材料内部的温度历程比较，以其残差的平方作为目标函数，通过L-M方法对材料的热物性参数进行优化；

得到使目标函数满足终止准则的热物性参数值，即为测试材料随温度变化的热导率和热容。

优选的，所述测量测试材料表面的发射率，包括：

利用单比色测温方法结合热电偶测温，测量测试材料表面的发射率。

优选的，测量测试材料表面的热流密度，包括：

利用戈登计标定在距离石英辐照灯灯口处的辐射热流密度。

优选的，测量测试材料内部的温度历程，包括：

开启辐照灯，加热试样，记录试样内部的温度历程，待试样内部测点温度升高到欲辨识温度上限时停止加热。

本发明实施例还提供一种同时辨识材料的热导率和热容的测试装置，所述测试装置包括辐照灯、热电偶、单比色测温仪、戈登计、数据记录仪和数据处理器；

所述辐照灯，用于照射测试材料表面进行加热；

所述热电偶和单比色测温仪，用于测量测试材料内部温度分布和表面温度；

所述戈登计，用于标定石英辐照灯灯口处的辐射热流密度；

所述数据记录仪，用于采集测试数据；

所述数据处理器，用于对实验数据进行处理。

优选的，所述数据处理器利用材料的边界条件和初始条件计算材料内部的温度分布,并通过L-M方法进行优化得到测试材料随温度变化的热导率和热容。