Экспресс-метод определения тепловых свойств материалов с использованием двухслойной системы «образец – эталон»

Рассмотрено определение тепловых свойств образцов различных материалов по результатам измерений температуры эталонного тела (эталона). Существующий метод определения тепловых свойств образца в системе трёх контактирующих тел «эталон – образец – эталон» (в трёхслойной системе) включает сложные расчётные формулы и трудоёмкие методики выполнения эксперимента. Поэтому данный метод необходимо упростить. Теоретически обоснован экспресс-метод определения тепловых свойств (теплои температуропроводности) материалов с использованием двухслойной системы «образец – эталон». При больших числах Фурье температура эталона зависит от одного входного параметра, который определяется отношением безразмерной теплопроводности к безразмерной температуропроводности. Если в качестве независимой переменной принять указанный выше параметр, то временна́я зависимость температуры эталона в выбранной точке содержит прямолинейный участок, который позволяет оперативно найти хорошее приближение для коэффициентов, входящих в математическую модель процесса переноса тепловой энергии в двухслойной системе. Для данной системы получено точное решение задачи теплообмена при нагреве постоянным тепловым потоком и построен алгоритм решения обратной задачи: определения теплои температуропроводности исследуемого образца по результатам измерений температуры эталона. Эффективность алгоритма показана на конкретном примере. Результаты расчётов с найденными коэффициентами согласуются с экспериментальными данными во всём диапазоне изменения числа Фурье. Предложенный метод может быть реализован в теплофизическом приборостроении.

1. Филиппов Л. П. Измерение теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева. Энергоатомиздат, Москва (1984).

2. Кириченко Ю. А. Определение теплофизических коэффициентов методом температурных волн. Инженернофизический журнал, 4(5), 12–15 (1961).

3. Зиновьев В. Е., Бочаров В. И., Мулюков Р. Р. и др. Прибор для автоматизированных измерений теплофизических характеристик горных пород в условиях, близких к естественным. Измерительная техника (1), 62–63 (1985).

4. Липаев А. А. Теплофизические исследования в петрофизике. Издательство Казанского университета, Казань (1993).

5. Липаев А. А., Хисамов Р. С., Чугунов В. А. Теплофизика горных пород нефтяных месторождений. Недра, Москва (2003).

6. Чугунов В. А., Липаев А. А., Королев В. А. Оценка возможности применения одномерной по пространству математической модели теплопереноса в системе контактирующих тел для определения тепловых свойств материалов. Управление техносферой: сетевой журнал, 1(2), 209–245 (2018). URL: https://technosphere-ing.ru/ru/technosphere/issue/01r20/technosphere-t01-133-247/tom01-209-245 (дата обращения: 30.05.2025).

7. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твёрдых тел : Пер. с англ. Наука, Москва (1964).

8. Чугунов В. А., Липаев А. А. Исследование регулярного режима 3-го рода в системе контактирующих тел с источником тепла в ее центральной части с целью определения тепловых свойств материалов. Управление техносферой: сетевой журнал, 2(2), 208–233 (2019). URL: https://technosphere-ing.ru/ru/technosphere/issue/01r20/technospheret02-138-253/tom2-208-233 (дата обращения: 30.05.2025).

9. Karagiannidis G. K., Lioumpas A. S. An improved approximation for the Gaussian Q-function. IEEE Communications Letters, 11(8), 644–646 (2007). https://doi.org/10.1109/LCOMM.2007.070470

10. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. Наука: Главная редакция физико-математической литературы: изд. 2-е, Москва (1979).

11. Липаев А. А., Чугунов В. А., Земцов Н. С., Устьянцева Н. В. Способ определения тепловых свойств материалов: пат. Ru 2754715 C1. Изобретения. Полезные модели. № 25 (2021).