【硕士】基于热探针的高精度多功能热物性测量系统研究

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内容简介

　　【硕士】基于热探针的高精度多功能热物性测量系统研究　　授予学位：硕士　　学位授予单位：中国科学技术大学　　学位年度：2011　　 热导率、比热容等热物性参数是热工、化工、航天等领域的基本参数，热物性的高精度测量一直是相关领域的热门课题之一。而热探针法具有制作简单、测量快捷等优点，在热导率测量方面具有广泛应用。但是由于热探针导热方程的复杂性，目前所采用的热探针方法所依据的理论基础是简化的数学模型，忽略了探针自身参数及探针与待测介质之间接触热阻的影响，不可避免地存在着系统误差。因此，在对热探针的传热特性进行系统分析的基础上，研究高精度的热探针测量方法，不仅具有重要的理论意义，同时也具有重要的应用价值。　　 本文在考虑热探针自身参数及探针与待测样品之间接触热阻影响的基础上，基于热探针导热方程精确解的数学模型，利用蒙特卡洛反演方法建立了可以同时测量固体和液体热导率、体积比热容等多种热物性参数的高精度多功能热物性测量系统。利用该系统对一些液体和固体材料的热物性进行了测量，并与其它测量方法进行了分析与比较。结果表明：（1）采用该方法所得热导率、体积比热容的平均测量误差分别为1.2%和3%，精度有了较大的提高，尤其是针对粘度低的液体样品，其测量精度远远高于传统的热探针方法。（2）接触热阻对固体热导率影响较大，因此考虑接触热阻有利于提高固体热导率的测量精度，但由于探针与液体样品之间的接触热阻很小，在测量液体样品时，可以忽略接触热阻的影响。　　 为了便于对土壤热物性进行现场测量，本文在上述方法的基础上，建立了土壤热物性快速测量系统。该系统结构简单，可以方便快捷地得到土壤的热导率、体积比热容等热物性参数。对土壤的现场测量显示，潮湿土壤中的水分在温度梯度下所形成的水分迁移对测量结果有较大的影响，此时需要通过控制测量时间和适当的数据筛选来减少这种影响。　　 土壤含水量是地源热泵、土体工程等领域的重要参数，为了在利用土壤热物性快速测量系统获得土壤热物性的同时，能够得到土壤的含水量，本文最后研究了利用土壤热物性反演含水量的方法。本文采用Campbell 模型、Johansen 模型和热惯量模型分别对土壤及沙的含水量进行反演，所得结果显示，热惯量模型对土壤及沙的含水量反演的误差分别为2.0%和5.9%，含水量反演精度远高于其他两种模型。这表明，以热惯量模型为基础，通过适当的反演方法，有可能建立可同时测量热导率、体积比热容和含水量的热探针土壤多功能测量系统。　　

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