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10 页 础设计研究的语言模型之一,采用模块式结构可以非常快速的设计仿真模型,仿真 模型的物理意义直观和明确,能完美结合传统的热阻网络分析方法,非常适合瞬态 传热的快速仿真计算,较传统的有限元瞬态分析方法的速度大为提高,可以在几秒 内完成整个瞬态传热过程的模拟分析计算. 在采用 SimulationX 建模中,样品尺寸设置为

300 mm*300 mm*20 mm,初始 温度为 20℃,对样品的两个表面按照相同的温度波形程序同时进行加热到 30℃. 建模分析中采用了两种典型材料,其中不锈钢

304 的热物性参数分别是:导热 系数为 14.9 W/mK,比热容为 0.477 J/gK,密度为

7900 kg/m3 .沙子的热物性参数 分别是:导热系数为 0.60 W/mK,比热容为 0.80 J/gK,密度为

1515 kg/m3 . 4. 无热损情况下的模仿仿真 首先在无热损的理想条件下对准稳态法进行仿真模拟.在无侧向热损条件下, 分别有两个热流计检测进出样品的热流量大小,同时假设样品是中心截面对称,并 不考虑样品侧面的边缘热损.由此采用 SimulationX 软件设计的仿真模型如图 4-1 所示,分别模拟仿真不锈钢和沙子两种典型不同导热系数材料的比热容动态热流计 法测试过程,计算得到比热容结果.最终将模拟仿真计算结果与设定的参数值进行 比较,由此考核动态热流计法在理想情况下的测量准确性和合理的试验方法. 图4-1 使用 SimulationX 软件建立的无侧向热损仿真模型 上海依阳实业有限公司――www.eyoungindustry.com 第4页共

10 页4.1. 不锈钢比热容测量的模拟计算 首先对不锈钢

304 材料进行模拟仿真计算,按照 ASTM 标准方法规定,加热采 用一个方波形式.在方波加热过程中,方波加热时温度变化,以及仿真模拟计算得 到的不锈钢样品中心温度和进出样品的热流变化如图 4-2 所示.通过对上述热流随 时间变化曲线按照时间进行积分,最终得到此波形加热过程中的单位质量不锈钢样 品的热焓值变化曲线,如图 4-3 所示. 图4-2 矩形加热波形时不锈钢样品温度和热流变化曲线 图4-3 矩形加热波形时单位质量不锈钢样品热焓值变化曲线 -175 -140 -105 -70 -35

0 35

70 105

140 175

16 18

20 22

24 26

28 30

32 34

36 0

20 40

60 80

100 120

140 160 热流量( W ) 温度(℃) 时间(min) 温度源(℃) 样品中心温度(℃) 热流计热流量值(W) -1

0 1

2 3

4 5

0 20

40 60

80 100

120 140

160 焓值变化( J/g ) 时间(min) 上海依阳实业有限公司――www.eyoungindustry.com 第5页共

10 页 根据图 4-3 所示的模仿仿真结果,可以计算出 20~30℃温度范围内不锈钢平均 比热容为 0.450 J/gK,与设定值 0.477 J/gK 的相对误差为 5.7%. 通过图 4-2 所示的热流量随时间变化曲线可以看出,对热流量变化曲线进行积 分相当于求此曲线相对于时间坐标轴所包含的面积,而对图 4-2 中如此突变的尖峰 信号进行积分,由于时间间隔选取不可能无限小,这势必会带来积分误差,由此可 见,对于方波加热形式,温度的突变是造成仿真计算误差的直接原因.在试验测试 过程中,由于数据采集速度不可能很快,时间间隔也不可能非常小,这同样会带来 相应测量误差. 4.2. 沙子比热容测量的模拟计算 同样,在方波加热过程中,计算得到的沙子样品中心温度和进出样品的热流变 化如图 4-4 所示.通过对上述热流随时间变化曲线按时间进行积分,最终得到此波 形加热过程中的单位质量沙子样品的热焓值变化曲线,如图 4-5 所示. 图4-4 矩形加热波形时沙子样品温度和热流变化曲线 -150 -120 -90 -60 -30