薄壁圆筒轴向热导率测量仪的研制与应用

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新型复合材料管材因其优良的性能在航空航天和建筑领域得到了广泛的应用。热导率是评估材料热性能的重要参数,其精准的测量对新型复合材料管材的推广和使用具有重要的意义。首先,本文通过对薄壁圆筒材料轴向热传递进行分析,构建了一维稳态传热模型,推导出了轴向热导率计算公式。其次,设计并搭建了针对薄壁圆筒材料的轴向导率测试系统,选取市场上常用的薄壁圆筒材料进行热导率测试,将实验结果与相关文献进行对比,验证了测试系统的准确性和重复性。然后在此基础上,实验拟合得到了薄壁圆筒材料壁面平均温度与轴向热导率关联方程式。最后,使用ANSYS FLUENT 19.2软件创建数学模型,研究了试件放置形式和长度对系统内空气流场和试件轴向温度分布的影响情况,为进一步改进实验装置提供理论支持。本文完成的主要工作有:1.通过对薄壁圆筒轴向一维稳态传热模型进行分析,推导出了轴向热导率的计算公式。利用MATLAB软件对计算公式进行数学分析,得出了适合实验的最优核心参数,为实验过程提供理论基础。2.设计并搭建了薄壁圆筒轴向热导率测试系统,包括核心测试系统、温度控制系统、数据采集和处理系统。详细介绍了测试装置的机械结构设计,包括环形加热(冷却器)、恒温水套、支撑装置等;温度控制和采集电路,包括温度传感器和温度控制方式选择;配套系统的测试软件,包括实验数据的处理和修正方法。3.实验选取了常用薄壁圆筒材料对测试系统进行实验标定,将实验结果与相关文献对比,并对实验结果进行了不确定度分析。结果表明:测试结果的重复性在±5%以内,相对误差在±5%以内,验证了测试系统的可行性和准确性。4.为探究试件放置形式和试件长度对实验结果的影响,使用ANSYS FLUENT19.2软件建立三维数学模型,对系统内部温度场进行模拟。结果表明:试件垂直放置时,不同轴线测点温度最大相对偏差仅为2.3%,试件水平放置时,不同轴线测点温度最大相对偏差为42.6%。试件长度越长,模拟结果与实验结果相对偏差越大,其中,100mm长度试件模拟结果与实验结果相对偏差仅为2.98%,200mm长度试件相对偏差为11.93%,300mm长度试件相对偏差为14.79%。
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