高低溫箱熱質(zhì)傳遞界面穩(wěn)定性與多孔介質(zhì)試樣溫控

時間： 2026-07-15 16:10 來源： 林頻儀器

在材料熱物性測試與環(huán)境適應性評價領(lǐng)域，高低溫箱對多孔介質(zhì)類試樣的溫度控制精度長期面臨特殊挑戰(zhàn)。泡沫金屬、纖維隔熱材料、催化劑載體及土壤模擬物等多孔介質(zhì)，其內(nèi)部復雜的孔隙結(jié)構(gòu)導致熱質(zhì)傳遞過程呈現(xiàn)顯著的界面效應與非平衡特征，常規(guī)基于均質(zhì)假設(shè)的溫控策略難以準確描述其內(nèi)部溫度場演化，試驗結(jié)果的可信度因此受到質(zhì)疑。

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高低溫箱與多孔介質(zhì)試樣之間的熱交換并非簡單的對流換熱邊界條件。當循環(huán)氣流掠過試樣表面，部分氣體在邊界層內(nèi)沿孔隙入口滲入介質(zhì)內(nèi)部，形成受迫對流與內(nèi)部自然對流的耦合流動。該滲流過程受孔隙率、孔徑分布及連通性制約，在試樣表層形成厚度不等的滲透邊界層。滲透深度與氣流速度、介質(zhì)滲透率之間存在非線性關(guān)系——低速氣流下滲透深度有限，熱交換以表面?zhèn)鲗橹鳎桓咚贇饬飨聺B透深度增加，內(nèi)部對流換熱份額上升，但過高的 face velocity 又可能導致試樣表面顆粒剝蝕或纖維結(jié)構(gòu)變形。高低溫箱的風速設(shè)定需在熱交換效率與試樣完整性之間審慎權(quán)衡。

多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱質(zhì)耦合效應進一步加劇了溫度控制的復雜性。在高低溫箱升溫階段，孔隙內(nèi)吸附水及殘余濕分受熱蒸發(fā)，水蒸氣向低溫區(qū)域遷移并在孔隙深處冷凝，釋放潛熱。該過程使介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)與外部熱源方向相反的熱流，宏觀表現(xiàn)為升溫速率低于干燥均質(zhì)材料，且內(nèi)部溫度分布呈現(xiàn)非單調(diào)梯度。若高低溫箱控溫系統(tǒng)僅以試樣表面或附近空氣溫度作為反饋信號，則介質(zhì)核心區(qū)域的實際溫度可能顯著滯后于設(shè)定值，導致以表面溫度達標為判據(jù)的試驗提前終止，而內(nèi)部尚未達到目標熱狀態(tài)。

低溫工況中的相變問題更為突出。當高低溫箱溫度降至冰點以下，孔隙水結(jié)冰膨脹，不僅改變介質(zhì)有效導熱系數(shù)，更因冰晶生長堵塞部分孔隙通道，抑制后續(xù)氣體滲透。此時，介質(zhì)表觀熱慣性急劇增大，溫度響應曲線出現(xiàn)明顯的拐點與平臺區(qū)。若控溫程序未針對該相變潛熱進行補償，高低溫箱將長時間維持高功率輸出以驅(qū)動溫度繼續(xù)下降，能耗激增且溫度過沖風險加劇。部分研究嘗試在程序中嵌入相變溫度區(qū)間的功率限幅邏輯，以平緩度過潛熱釋放階段，但該方法對相變起始溫度的預判精度要求較高。

為提升高低溫箱對多孔介質(zhì)試樣的溫控效度，非侵入式內(nèi)部溫度監(jiān)測技術(shù)的引入具有重要價值。傳統(tǒng)熱電偶或鉑電阻探頭插入試樣內(nèi)部，不僅破壞孔隙結(jié)構(gòu)，其自身金屬熱容亦干擾局部熱場。紅外熱成像雖可實現(xiàn)表面溫度場可視化，但對多孔介質(zhì)低發(fā)射率表面的測量誤差較大，且無法穿透不透明基體。近年來，分布式光纖溫度傳感技術(shù)逐步應用于高低溫箱試驗場景，將細徑光纖嵌入試樣預設(shè)路徑，利用拉曼散射或布里淵散射原理實現(xiàn)沿光纖長度的連續(xù)溫度剖面測量，空間分辨率可達厘米量級，為驗證數(shù)值模擬結(jié)果與優(yōu)化溫控策略提供了高保真數(shù)據(jù)支撐。

從數(shù)值模擬輔助設(shè)計的角度審視，多孔介質(zhì)在高低溫箱中的熱質(zhì)傳遞過程可采用局部熱非平衡模型加以描述。該模型將固相骨架與孔隙流體視為兩個相互耦合但溫度獨立的連續(xù)介質(zhì)，通過界面換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)二者能量方程。模型參數(shù)——如有效導熱系數(shù)、滲透率及界面換熱系數(shù)——需通過獨立實驗標定，隨后嵌入計算流體力學框架，與高低溫箱風道流場模擬耦合求解。該方法的工程價值在于，可在設(shè)備制造之前即預測不同試樣規(guī)格與工況組合下的內(nèi)部溫度均勻性，指導風道結(jié)構(gòu)與送風參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，減少實物試驗的迭代成本。

高低溫箱對多孔介質(zhì)試樣的溫度控制是一項涉及多孔介質(zhì)物理、傳熱學及測量技術(shù)的交叉課題。超越均質(zhì)假設(shè)的局限，正視界面效應、相變潛熱及內(nèi)部非平衡傳熱的客觀存在，并借助先進傳感技術(shù)與多物理場數(shù)值模擬的協(xié)同，方能將高低溫箱的溫控精度從空氣環(huán)境層面拓展至試樣內(nèi)部深層，為新材料研發(fā)與工程應用提供更為可靠的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。