由于真空玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量復(fù)雜，本文提出一種基于非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的軟測(cè)量表征真空玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的模型。首先，在連續(xù)介質(zhì)與半無限大物體的前提下，采用能量守恒定律與拉普拉斯變換法，對(duì)數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行求解，建立非加熱面的中心溫度計(jì)算公式。然后，利用數(shù)值仿真軟件FLUENT 對(duì)物理模型進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。

　　仿真結(jié)果表明：檢測(cè)時(shí)間少于5 分鐘，達(dá)到節(jié)約時(shí)間的目的；為保證溫度測(cè)量準(zhǔn)確，取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值；為減小測(cè)量誤差，采用圓形加熱片時(shí)，加熱片的半徑與真空玻璃厚度之比要大于3。這些為后續(xù)研究真空玻璃導(dǎo)熱系數(shù)與溫度變化之間的關(guān)系奠定一定的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)有指導(dǎo)意義，為真空玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的在線檢測(cè)和其過程的優(yōu)化控制提供指導(dǎo)。

　　在推進(jìn)節(jié)能型社會(huì)建設(shè)的進(jìn)程中，建筑節(jié)能是不能忽視的重要方面。門窗耗費(fèi)的能量不容小覷。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的真空玻璃是一種性能優(yōu)異的新型節(jié)能建材，在全社會(huì)節(jié)能減排的趨勢(shì)下，受到了人們的廣泛關(guān)注。使用真空玻璃門窗后，不僅明顯節(jié)省了空調(diào)的制熱制冷費(fèi)用，極大地提高了居室環(huán)境的舒適度，而且由于真空玻璃結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，即真空層的存在，阻隔了聲音的傳遞，可保持室內(nèi)寧靜空間，減小噪聲污染。同時(shí)，真空玻璃的熱阻很大，真空腔內(nèi)無空氣，也無水汽分子，即使室內(nèi)外溫差達(dá)到50℃也不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，令人視野清晰開闊。

　　由于真空玻璃暴露在房屋外面，在使用過程中很容易受到外界環(huán)境的腐蝕及不可預(yù)料的外力沖擊作用，這些都會(huì)使真空玻璃的性能退化甚至結(jié)構(gòu)破損，從而失去其節(jié)能功能。周期性地對(duì)真空玻璃性能進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，可以保證真空玻璃的健康狀態(tài)及其使用壽命，是保證節(jié)能建筑發(fā)揮節(jié)能功效所必須的工作內(nèi)容。

　　國(guó)內(nèi)外廣泛使用的熱傳導(dǎo)性能測(cè)試方法尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，主要使用穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法。穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)測(cè)試方法的基本原理如下：首先被測(cè)試的樣品兩個(gè)表面形成恒定的溫差，平衡一段時(shí)間后，試樣內(nèi)部的溫度分布不再隨時(shí)間變化，即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)熱量傳遞狀態(tài)，試樣內(nèi)部每一位置通過的熱流量相等，最后利用熱流量、溫差和導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系反解出導(dǎo)熱系數(shù)。不過，由于真空玻璃熱擴(kuò)散系數(shù)很小，為使試樣達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱量傳遞狀態(tài)，需要較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)，為了使熱流單向一維流動(dòng)，試驗(yàn)裝置必須配備良好的絕熱層，同時(shí)，樣品邊界附近的漏熱現(xiàn)象將影響到測(cè)試結(jié)果，而且為了保持被測(cè)試的樣品兩個(gè)表面的溫差恒定，試驗(yàn)裝置需具有良好的恒溫系統(tǒng)，從而使得試驗(yàn)裝置較復(fù)雜和冗雜。

　　文獻(xiàn)1 提出在相同熱源下，真空玻璃非熱源側(cè)溫度與傳熱性能相關(guān)，本文在此基礎(chǔ)上，提出非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，建立非熱源側(cè)溫度計(jì)算方法并利用CFD 數(shù)值仿真技術(shù)，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)分析，并提出在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量溫度要注意的事項(xiàng)。

1、真空玻璃

1.1、物理模型

　　真空玻璃通常是由兩片玻璃組成，在中間放置微小的支撐物以均勻隔開，在周邊采用玻璃焊料熔融封接。然后，通過抽真空后封裝抽氣孔或者在真空環(huán)境下熔封玻璃周邊等方法使玻璃之間形成真空層，如圖1 所示。

圖1 真空玻璃基本結(jié)構(gòu)

1.2、數(shù)學(xué)模型

　　將真空玻璃在宏觀上用均質(zhì)平板玻璃來代替不連續(xù)的支柱排列，應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，將真空玻璃用某一均勻連續(xù)介質(zhì)作為其等價(jià)介質(zhì)，其溫度、密度等物理參數(shù)都是空間的連續(xù)函數(shù)，表征其等效的物理性質(zhì)。

　　當(dāng)物體的溫度隨著時(shí)間的變化而隨之變化時(shí)，這個(gè)導(dǎo)熱過程稱之為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。導(dǎo)熱微分方程及初始條件與邊界條件一起，才能完整地描述一個(gè)特定的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。結(jié)合傅立葉導(dǎo)熱定律與半無窮假設(shè)，如圖2 所示：將在加熱過程中的真空玻璃看作是無限大的，即在時(shí)間τ=0 時(shí)，位置x=0 處的表面受到擾動(dòng)，溫度t 沿僅且僅沿x 軸方向一維傳遞。

圖2 半無限大物體示意

2、CFD仿真

　　數(shù)值仿真技術(shù)可以幫助人們完成從最初的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到最后的參數(shù)優(yōu)化，利用CFD 軟件可以使人們細(xì)致入微地觀察全部情況。通過數(shù)學(xué)方程描述物理問題的數(shù)值求解的基本思想可概括如下：在時(shí)間坐標(biāo)系與空間坐標(biāo)系中，原本是連續(xù)變化的物理量的場(chǎng)，通過網(wǎng)格劃分手段，用數(shù)量極多(可以代表物理量的場(chǎng)的特性)但有限個(gè)(數(shù)學(xué)方程可以解出)離散點(diǎn)上的值的來代替原來的物理量的場(chǎng)，這樣求解關(guān)于這些離散點(diǎn)上的值的代數(shù)方程，就可以獲得離散點(diǎn)上被求的物理量的值，上述基本步驟可以如圖3 來表示：

圖3 流程框架

　　本文研究?jī)?nèi)容基于UG、ICEM 和FLUENT 商用軟件。運(yùn)行的計(jì)算機(jī)主要配置為：處理器：Intel(R)Pentium (R)CPU B950-2.10GHz；內(nèi)存4GB；操作系統(tǒng)：Windows7 旗艦版。幾何模型的準(zhǔn)確性和網(wǎng)格劃分的質(zhì)量與數(shù)值仿真結(jié)果的可靠性息息相關(guān)。所以在UG 軟件中建立真空玻璃的幾何模型時(shí)，應(yīng)盡量與實(shí)際情況相一致；用ICEM 軟件劃分網(wǎng)格后，要注意檢查網(wǎng)格質(zhì)量。在本文中，所有模型都是基于UG8.0版本做出，并導(dǎo)出ANSYS ICEM 可以識(shí)別的IGES文件，在ANSYS ICEM 中可以做出質(zhì)量較高的網(wǎng)格，如圖4-1 所示。

　　考慮到在實(shí)驗(yàn)過程中，溫度是唯一的測(cè)量量，真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.jnannai.com/）認(rèn)為它的準(zhǔn)確性十分重要。在數(shù)學(xué)模型中，假設(shè)了溫度只沿x 軸方向進(jìn)行一維導(dǎo)熱，這樣，理論上，只要測(cè)得溫度與時(shí)間的變化關(guān)系即可得出導(dǎo)熱系數(shù)λ 表征的值。不過，在實(shí)驗(yàn)中，不得不考慮到溫度的y 軸傳熱過程，即徑向傳熱過程。所以，在實(shí)驗(yàn)中就必須合理地解決測(cè)溫點(diǎn)的選取問題，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及復(fù)現(xiàn)性。

2.1、測(cè)溫點(diǎn)的選取

圖4 網(wǎng)格劃分及溫度變化

　　由圖4 可以看出，在5 分鐘內(nèi)完全可以測(cè)量多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，完成實(shí)驗(yàn)。由于支柱和徑向熱量傳輸?shù)挠绊懀�右�?cè)形心處的溫度較其他點(diǎn)溫度較高，同時(shí)為了避免在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的隨機(jī)將測(cè)溫點(diǎn)布置在溫度較高附近，所以，測(cè)溫點(diǎn)不能僅僅選擇一個(gè)，而是要在形心某一半徑范圍內(nèi)布置多個(gè)，取各個(gè)溫度值，求和作均值化。

2.2、加熱片的半徑

　　為了構(gòu)造半無限大條件，降低徑向傳熱的影響，加熱片的面積越大越好。如圖5 所示，模型厚度10mm，在不同面積加熱片時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化情況。隨著加熱片面積的增大，也越來越符合半無限大物體的特性，徑向?qū)�熱�?duì)測(cè)量點(diǎn)的溫度影響逐漸變小，相同時(shí)刻的溫度誤差越來越小。當(dāng)加熱片面積增大到一定程度，對(duì)精度的貢獻(xiàn)及在工程應(yīng)用上的影響，可以忽略不計(jì)。

圖5 測(cè)溫點(diǎn)溫度與加熱片面積關(guān)系

3、結(jié)論

　　在全球低碳節(jié)能浪潮下，真空玻璃將隨著產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快獲得越來越廣泛的應(yīng)用。其相關(guān)性能參數(shù)的測(cè)量也愈發(fā)重要。由此，本文建立了非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，得出非加熱面的中心溫度計(jì)算公式，并通過CFD 仿真，分析模型的可行性及指導(dǎo)下一步實(shí)驗(yàn)相關(guān)測(cè)量注意事項(xiàng)。

　　3.1、與穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法相比，非穩(wěn)態(tài)方法是測(cè)量試樣升溫趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)過程，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)短可以靈活掌控，滿足短時(shí)間的測(cè)試要求。

　　3.2、該方法測(cè)量出表征導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)表征熱擴(kuò)散系數(shù)的分析確定。對(duì)于評(píng)價(jià)自身熱工性能、分析非穩(wěn)態(tài)過程的研究和應(yīng)用具有重要意義。

　　3.3、通過建立合理化的傳熱模型，得到對(duì)真空玻璃傳熱后側(cè)(非熱源側(cè))中心溫度實(shí)時(shí)測(cè)量，可以獲知真空玻璃的隔熱性能優(yōu)劣和真空玻璃質(zhì)量的結(jié)論。

　　3.4、溫度測(cè)量是下一步實(shí)踐中的重點(diǎn)，在測(cè)溫點(diǎn)及加熱片的選取問題中，通過仿真，得出了取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值，然后求和取均值作為真值；加熱片的半徑與真空玻璃厚度之比要大于3，具有指導(dǎo)意義。