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1、试验题目：常功率平面热源法导热系数及热扩散率测试实验一、 实验目的：1 .巩固和深化对非稳态导热理论的理解，更直观地认识非稳态导热过程中温度的变化；2 .学习用常功率平面热源法同时测定绝热材料的导热系数X和热扩散率a的实验方法 和技能；3 .掌握获得非稳态温度场的方法；4 .加深理解导热系数X和热扩散率a对温度场的影响。二、实验装置及原理试材口、口、口的材料相同，其厚度分别为均、3和应+孔试材口的长宽是厚度的810倍。试材口 和口之间放置一个均匀的平面加热片。电加热片用直流稳压电源供电。在试材的上、下表面中间分别装有铜-康铜热电偶2和热电偶1,用以测试试材上、下表面的温 度益和A：热电偶3和热
2、电例4则分别用来测试试材的上表面温度A和试材口的下表面温度3由于采用对称加热面方法，平面热源的加热功率实际为总加热功率的一半，单侧热流密度如为：U2= 2RFW / m2式中，U为加热电压：R为加热片电阻：F为加热片面积。图I实验装置及原理图根据非稳态导热过程的基本理论，在初始温度为分布均匀的半无限大的物体中，从r = 0起，半无限 大的物体表面(即图1中x = 0的平面)受均匀分布的平面热源仇(W/m2)的作用，在常物性条件下，离表面x处的温升&j =储，0为:(2)式中，2和。为试材导热系数和熟扩散率，T为时间。令,= =. 7也代表变量？的高斯误差补函数（见2yar附表1）的一次积分，即
3、:T 0 ,但 X = 0 时，于是由式（2）可知如果分别测定&时刻x = 0处，与守时刻x = 处的温升，根据式（2）和式（3）令Z （建议本实验中，可以统一将巧和弓取为同一时刻，即 7） %可V/于是，由已泅定的量族可以求出的值，从数学函数表可确定自变量的值，从而计算出相应于该测试温度范围黑仆巧的平均温度/ = g（Q弓十）时的热扩散率为a = -m2/s（5）咳再将a的值代入式（3）,可求出试材的导热系数；I为人=9而二 W/mK（6四、实验报告1.绘制实脸装置系统简图;f.2 .根据实险过程中计算机采集到的原始数据，计算工=480 s到720 s （间隔30s）的导 热系数人和热扩散率
4、a； 原始数据：A：, =0.0167/77, P=0.66000.6583W, 加热片直径d=5cm F=pi*d八2/4采用平均温度tO=2LO75O作为初始温度 tl和t2分别测量x=0和x=xl处的温度。t4是试材另一面的温度，实验过程中，t3与t4 应该无明显变化，即热量还没有传到试材的另一面，试材可以认为是半无限大物体。对上述 数据取t = 480 s到720 s （间隔30s）处理如下：时间/STl/T2/9T3/七T4/9中iercf( )aX4 S031.322.421.122.70.12960.07310.S7G51.4591E-070.0775151031.G22.621
5、.322.70.14220.03020.84471.4250E-070.0752754032.222.621.222.70.13710.07730.S5731.32G0E-070.0720357032.522.721.222.70.14220.03020.34461.2751E-070.070G7G0033.022.921.322.30.15300.0GG30.S1911.2491E-070.0637563033.323.021.222.30.15750.0G3S0.30911.2043E-070.0G747GGO33.623.121.322.30.1G170.09120.79931.1G29
6、E-070.06624G9033.923.121.122.70.15790.0S910.30321.1003E-070.0G43572034.223.221.222.70.1G190.09130.79931.0GG7E-070.063233 .根据实脸结果画图：对干整个实验数据处理加下实脸过程中，t3与t4无明显变化，按无限大平板计算。时间/sTl/tT2/rT3/rT4/t4iercf( )aA023.021.221.022.30.0650.0371.0990.00E+000.0006024.921.421.122.50.0850.0481.0151.01E-060.19312026.321
7、.521.122.40.0810.0461.0294.97E-070.14018027.621.721.022.50.0960.0540.9773.49E-070.11524028.721.821.022.40.0950.0540.9792.61E-070.09830029.721.920.922.40.0960.0540.9772.09E-070.08736030.722.221.122.60.1170.0660.9111.87E-070.08142031.822.621.322.70.1420.0800.8451.73E-070.07548032.522.721.222.70.1420.0
8、800.8451.51E-070.07154033.323.021.322.80.1570.0890.8091.41E-070.06760033.923.121.222.70.1580.0890.8081.27E-070.06466034.523.221.122.70.1580.0890.8071.15E-070.06272035.223.521.122.90.1720.0970.7791.10E-070.06078035.823.721.422.90.1780.1010.7651.03E-070.058平均：a=2.45e-7(1)热源温度”A=0.090和距热源X1处温度t2随时间T的变化
9、关系曲线;40tLt2-x关系曲线353025时间/s(2)导热系数人随时间工的变化曲线;导温系数一时间关系曲线时间/S（3）热扩散率a随时间t的变化曲线。热扩散率时间关系曲线时间/S结合物性和导热机理对（2）和（3）的变化规律进行分析；分析：a与A有如下关系：。=，并且比热容c不随温度变化，固体密度p不随温度变pc化，所以。8/1,所以两个图中。和九有相同的变化规律，上面两个图形基本能反映这个规律。导热系数和物质的种类、温度、压力等因素有关。对于绝热材料，则和温度、含湿率、容重、 松散材料的颗粒度、热流方向和填充气体等有关。本实验中，为了减少接触面上的热阻，在绝热材料的上方放了铁块，会增加压
10、力。由于在刚 开始的时候，没有达到稳态，导热系数和导温系数一直下降，开始时候温度较低，散热少, 而实验过程中没有考虑散热，后来温度上升，由于实验处于开放环境，与环境换热量增加, 所以导热系数一直下降，在下降到一定温度后，一方面系统达到稳态，另一方面换热量趋于 定值，所以导热系数下降趋势减缓，开始趋于稳定。4.根据半无限大物体非稳态导热理论解，结合实验条件(xl,qO,T等参数均取本次实验值), 作图分析入和a值对非稳态导热过程的影响：A和a取本次实验中平均值。利用MATLAB计算如下t0=(20.1+21+21+22.2)/4;q0=83.9256;x=16.7e-3;lanida=0.09;
11、a=2.64e-7;figurehold onyiabW 温度/C);xlabc始时间/s);a=a/10;a=a*10;fun=(t)2*q0/lamda*sqrt(a*t)*ierfc(x/sqrt(a*t)/2)+t0;t=0:1000;y=zeros(l,size(t,2);for i=l:sizc(t,2)y(i)=fun(t(i);endpk)t(t,y/linewidth：2);legendCa/10；a=2.64e-7*a*10 );set(gca；fontsize,14) %将其余公共字体设要为14a=a/100;(1)固定1,改变a (a取不同的量级)，研究a对12r温升曲线的影响;70(2)固定a,改变入(A取不同的量级)，研究入对t2T温升曲线的影响。a/10 a=2.64e-7a*10201111102004006008001000时间/s由上图可以看出，在A固定不变的时候，X1点的温度t2随时间变化的速率会随a的增加而 变大。02004006008001000时间/s由上图可以看出，在固定a的情况下，t2随时间的变化速率会随着A的增大而减小。附录ierfcfunction y=ierfc(x)%calculate ierfc by erfcy=(l/sqrt(pi)* exp(-xA 2 )-x* erfc(x);