[发明专利]一种导热系数、热扩散率的瞬态体热源测量方法

说明书

一种导热系数、热扩散率的瞬态体热源测量方法，本发明涉及导热系数、热扩散率的瞬态体热源测量方法。本发明的目的是为了解决现有稳态法因需要增加热防护结构导致的结构复杂、装置体积较大，以及非稳态法如平面热源法测量模型中未能准确考虑加热探头形状、容积效应导致测量误差较大的问题。具体过程为：一：建立不同热物性参数下加热探头过余温度‑时间数据库；二：基于一所建立的数据库，建立热物性参数与加热探头瞬态温升的机器学习模型；三：实验测量获取加热探头温升随时间的变化数据；四：结合二所建立的机器学习模型与三获得的加热探头温升随时间的变化数据，计算获得被测材料的导热系数与热扩散率。本发明用于材料热物性参数测量领域。

技术领域

本发明属于材料热物性参数测量领域，涉及导热系数、热扩散率的瞬态体热源测量方法。

背景技术

导热系数和热扩散率作为重要的热物性参数，是反映材料传热性能的重要指标，为各行各业中涉及到传热的设计提供了重要依据。随着新型材料的不断发现，以及材料使用条件的不断拓展，对材料导热系数和热扩散率的准确测量具有重要意义。目前，实验测量材料导热系数的方法有两大类，即稳态法与非稳态法。

稳态法大多是基于一维傅里叶导热定律，即在待测试样上建立稳定的温度梯度，然后测量试样中的温度分布以及穿过试样的热流来确定材料的导热系数。由于稳态法容易受到边缘效应的影响，因此需要增加热防护结构，这导致其结构复杂、装置体积较大，并且一般只能适用于低导热系数的材料。

非稳态法的理论模型是基于非稳态导热微分方程，通过测量样品的温度分布随时间的变化关系来推算材料的导热系数，其测量时间短，可以有效避免边缘效应，并且测量范围广，目前常用的有热线法与平面热源法(Hot Disk)。热线法以恒定线热源为加热探头，结合一维非稳态导热微分方程的解析解来确定材料的导热系数，但是因为加热探头与被测材料接触面积较小，所以热线法主要应用于液体、块状固体材料的测量，而不太适用于松散材料的测量；Hot Disk法以恒定面热源为加热探头，结合二维非稳态导热微分方程的解析解来确定材料的导热系数，可以有效解决加热探头与被测材料接触面积较小的问题。但是无论热线法还是Hot Disk法都依赖于非稳态导热微分方程的解析解，然而三维非稳态导热微分方程求解困难，目前还没有解析解，因此加热探头需满足“超薄”要求，并且在操作过程中，忽略探头尺寸、热容以及接触热阻等因素的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有稳态法容易受到边缘效应的影响，因此需要增加热防护结构，这导致其结构复杂、装置体积较大，以及非稳态导热系数测量方法如热线法及平面热源法等的测量模型中未能准确考虑加热探头的容积效应、探头形状导致热物性参数测量误差较大的问题，而提出一种导热系数、热扩散率的瞬态体热源测量方法。

一种导热系数、热扩散率的瞬态体热源测量方法具体过程为：

步骤一：建立测量导热系数的三维传热模型；基于三维传热模型计算不同热扩散率、导热系数下传热模型的瞬态三维温度场，从而得到加热探头瞬态温升，建立不同热物性参数下加热探头的过余温度-时间数据库；

步骤二：基于步骤一中建立的不同热物性参数下加热探头的过余温度-时间数据库，建立被测材料热物性参数与加热探头瞬态温升的机器学习模型；

步骤三：利用步骤一中三维传热模型对被测材料进行实验测量，获取加热探头温升随时间的变化数据时间和探头的过余温度；

步骤四：结合步骤二所建立的机器学习模型与步骤三获得的加热探头温升随时间的变化数据，计算得到被测材料的导热系数与热扩散率。

所述步骤一中建立测量导热系数的三维传热模型；基于三维传热模型计算不同热扩散率、导热系数下传热模型的瞬态三维温度场，从而得到加热探头瞬态温升，建立不同热物性参数下加热探头的过余温度-时间数据库；具体过程为：

步骤一一：建立测量导热系数的三维传热模型；