平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

許兆峰, 李 輝, 劉志穎, 王東澤, 劉 培, 姜培學(xué)

(1. 清華大學(xué) 動力工程及工程熱物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 北京 100084；2. 清華大學(xué) 熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084;3. 清華大學(xué) 能源與動力工程系, 北京 100084)

導(dǎo)熱系數(shù)是能源類基礎(chǔ)課程“傳熱學(xué)”中的重要概念,是衡量材料傳熱特性的重要指標(biāo),掌握導(dǎo)熱系數(shù)的求解過程和測試方法是該門課程的基本要求。相比于穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測試方法[1-6],非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測試方法[7-12]耗時(shí)較短,并且能夠同時(shí)獲得導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率,對材料導(dǎo)熱特性優(yōu)劣的評價(jià)非常有效。

本教學(xué)中心依據(jù)非穩(wěn)態(tài)常功率平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)測試原理[13-14]研制了多套實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。但受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)體裝置數(shù)量所限,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上無法進(jìn)行多種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測試對比；此外,實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置僅能顯示試樣上下表面中心的溫度變化,不能展示試樣三維溫度場的演變過程,不利于學(xué)生直觀感受非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。因此,我們又開發(fā)了一套虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)[15],與實(shí)體裝置共同組成了平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。通過該平臺,可開展導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率測試的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生自主實(shí)驗(yàn),有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率。

1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示,試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的材料相同,其厚度分別為x1、δ和x1+δ。試樣Ⅰ的長寬是厚度的8～10倍。試樣Ⅰ和Ⅲ之間放置一個均勻的平面電加熱片。電加熱片用直流穩(wěn)壓電源供電。

圖1 常功率平面熱源法導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率測試技術(shù)原理圖

在試樣Ⅰ的上、下表面中間位置分別裝有熱電偶,用以測試試樣Ⅰ上、下表面的中心溫度t2和t1；在空氣中和試樣Ⅱ的上表面分別裝有熱電偶,用來測試試樣周圍的環(huán)境溫度t3和試樣Ⅱ的上表面溫度t4。

由于平面加熱片散熱均勻,并且加熱片上下兩側(cè)接觸的試樣材質(zhì)相同,若忽略加熱片本身的吸熱,則加熱片向一側(cè)的散熱功率為其總加熱功率的一半：

(1)

式中,U為加熱電壓；R為加熱片電阻；F為加熱片面積。

根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的基本理論[16-17],在初始溫度t0分布均勻的半無限大的物體中,從τ= 0 起,半無限大的物體表面(即圖1中試樣Ⅰ的下表面,設(shè)定為x=0)受均勻分布的平面熱源q0(W / m2)的作用,在常物性條件下,離表面x處的溫升θx,τ=tx,τ-t0為,

(2)

(3)

于是由式(1)可知,

(4)

如果分別測定τi時(shí)刻、x= 0處與τj時(shí)刻、x=x1處的溫升,根據(jù)式(1)和式(2),可得：

(5)

(6)

將a的值代入式(2),可求出試樣的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·k)為：

(7)

2 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺包括實(shí)體裝置和虛擬仿真系統(tǒng)兩部分。實(shí)體裝置利用非穩(wěn)態(tài)平面熱源法測定導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率,采用觸摸屏系統(tǒng)進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)采集和人機(jī)交互,學(xué)生可自行更換實(shí)驗(yàn)試樣；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)體裝置互補(bǔ),并增加了試樣溫度云圖變化過程,與實(shí)體裝置一起形成虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

(1) 實(shí)體裝置。實(shí)體裝置部分如圖2所示,由觸摸屏控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源及薄膜加熱片等組成。觸摸屏居中放置,兩側(cè)實(shí)驗(yàn)區(qū)可擺放待測試樣,可在一側(cè)測試完成后立即切換至另一側(cè)繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),提高了教學(xué)實(shí)驗(yàn)效率。兩側(cè)試樣放置區(qū)域通過透明有機(jī)玻璃與環(huán)境隔離,便于學(xué)生觀察。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸至觸摸屏控制系統(tǒng)中,并實(shí)時(shí)在觸摸屏上進(jìn)行顯示。測溫采用0.1 mm直徑的T型熱電偶,測溫精度為0.1 ℃。

觸摸屏顯示和控制通過專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn),界面如圖2所示,左側(cè)顯示測量原理圖和對應(yīng)輸入?yún)?shù),右側(cè)實(shí)時(shí)顯示試樣頂端、底端中心溫度隨時(shí)間變化的曲線,便于學(xué)生理解非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程,并可通過保護(hù)試樣頂部溫升曲線,判斷當(dāng)前狀態(tài)是否滿足半無限大平面導(dǎo)熱的假設(shè)。實(shí)驗(yàn)開始后,軟件按照選定的數(shù)據(jù)處理算法,計(jì)算出被測材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率,并顯示在觸摸屏的右下方數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)處理算法包括“不修正加熱片熱容”和“修正加熱片熱容”兩種方式。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可查詢歷史數(shù)據(jù),且溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過USB導(dǎo)出,供學(xué)生自行分析。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖及操作界面

(2) 虛擬仿真系統(tǒng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)交互過程如圖3所示,包括選擇加熱片、選擇試樣、放置試樣、設(shè)置測量誤差、開始實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果6個流程,觸摸屏的布置與操作和實(shí)體裝置完全一致,配合VR設(shè)備將更具有沉浸感,達(dá)到接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)支持3種不同尺寸的薄膜加熱片和6種不同材料的試樣,學(xué)生可任意組合。測試過程中,還會實(shí)時(shí)顯示試樣不同截面的溫度場分布(如圖4所示),該溫度場數(shù)據(jù)均來源于真實(shí)參數(shù)三維導(dǎo)熱動態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果,使學(xué)生直觀形象地感受到三維空間中非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的溫度場發(fā)展過程,加深對所學(xué)知識的理解。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件界面

圖4 不同尺寸加熱片下試樣內(nèi)部溫度場分布

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺可充分發(fā)揮實(shí)體部分和虛擬仿真部分各自的優(yōu)勢,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率。通過對實(shí)體部分的操作,可使學(xué)生認(rèn)識客觀現(xiàn)象,提高動手能力,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能；虛擬仿真部分直觀展示試樣空間溫度場動態(tài)分布,且實(shí)現(xiàn)了學(xué)生在線自主性實(shí)驗(yàn)研究,極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。在該虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺支持下,可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和探索研究能力。