西安交通大学物理仿真实验实验报告.docx
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西安交通大学物理仿真实验实验报告
西安交通大学
大学物理仿真实验报告
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实验名称:
良导体热导率的动态法测量
一.实验目的
1.通过实验学会一种测量热导率的方式。
2.解动态法的特点和优越性。
3.熟悉热波,增强对拨动理论的明白得。
二.实验原理
实验采纳热波法测量铜、铝等良导体的热导率。
简化问题,令热量沿一维传播,周边隔热,如图1所示。
依照热传导定律,单位时刻内流过某垂直于传播方向上面积A的热量,即热流为
(1)
其中K为待测材料的热导率,A为截面积,文中
是温度对坐标x的梯度,负号表示热量流动方向与温度转变方向相反.dt时刻内通过面积A流入的热量
图1棒元
假设没有其他热量来源或损耗,据能量守恒定律,dt时刻内流入面积A的热量等于温度升高需要的热量
,其中C,ρ别离为材料的比热容与密度。
因此任一时刻棒元热平稳方程为
(2)
由此可得热流方程
(3)
其中
,称为热扩散系数.
式(3)的解将把各点的温度随时刻的转变表示出来,具体形式取决于边界条件,假设令热端的温度按简谐转变,即
(4)
其中Tm是热端最高温度,ω为热端温度转变的角频率。
另一端用冷水冷却,维持恒定低温
,那么式(3)的解也确实是棒中各点的温度为
(5)
其中T0是直流成份,
是线性成份的斜率,从式(5)中能够看出:
1)热端(x=0)处温度按简谐方式转变时,这种转变将以衰减波的形式在棒内向冷端传播,称为热波.
2)热波波速:
(6)
3)热波波长:
(7)
因此在热端温度转变的角频率已知的情形下,只要测出波速或波长就能够够计算出D.然后再由
计算出材料的热导率K.本实验采纳.式(6)可得
则
(8)
其中,f、T别离为热端温度按简谐转变的频率和周期.实现上述测量的关键是:
1)热量在样品中一维传播.2)热端温度按简谐转变.
三.实验仪器
1.仪器结构
实验仪器结构框图见图2(a),该仪器包括样品单元,操纵单元和记录单元三大部份.实际仪器由两种工作方式:
手动和程控.他们都含样品单元和操纵单元,不同的只是记录单元.前者用高精度x-y记录仪,后者用微机实现对整个系统的操纵、数据的搜集、记录和画图,学生自行数据处置.
图2(a)热导率动态测量以结构框图
仪器主机由用绝热材料紧裹侧表面的园棒状样品(实验取铜和铝两种样品)、热电偶列阵(传感器)、实现边界条件的脉动热源及冷却装置组成,见示用意2(b).样品中热量将只沿轴向传播,在任意一个垂直于棒轴的截面上各点的温度是相同的,于是,只要测量轴线上各点温度散布,就可确信整个棒体上的温度散布.温度的测量采纳热电偶列阵.将热电偶偶端均匀插在棒内轴线处,两个相邻偶间距离均为2cm,为维持棒尾的温度
恒定,以避免整个棒温起伏,用冷却水冷却.
图2(b)主机结构示用意
图2(C)热导率动态仪实物图
图2(d)操纵面板
2.脉动热源及冷却装置
为实现热温度随时刻做简谐转变,在样品棒的一端放上电热器,使电热器始终处于T/2开、T/2关的交替加热的状态,于是电热器便成了频率为T的脉动热源(图3(a))。
由于存在热滞后,并非是加热器一停止加热,棒端温度就立刻冷却下来。
为增加曲线转变幅度,由电脑操纵“进水电磁阀门”使得在加热半周期时,热端停止供水;停止加热半周期时,热端供水冷却。
为了保证冷却处于一个稳固的温度T0,冷断要一直维持供水。
当脉动热源加热到一按时刻后,棒的热端就会显现稳固的幅度较大的温度脉动转变(图3(b)).当热量向冷端传播时,依照傅里叶分解,那么棒端温度为脉动形式:
(9)
式(9)说明T是由
倍频的多次谐波组成,当这些谐波同时沿棒向冷端传播时,高次谐波迅速衰减,见图3(c),约至6~7厘米后就只剩基波,其波形为
(a)(b)(c)
图3简谐热端温度的形成
(10)
假设取此处x=0,它确实是边界条件式(4)
温差电偶列阵中各点均为由热端传来的与式(10)一样的热波.实验中还需提供一个周期与基波相同的方波做计算位相差的参考方波,用它参考求出波速V,已知周期T,可用式(8)计算K值.
3.操纵单元及作用
操纵单元包括主控单元和相关几个单元,作用是:
1)对来自热电耦的待测温度信号进行调理。
2)提供“手动”和“程控”两种工作方式。
仿真软件采纳程控模式,操作软件操纵实验的进行。
3)提供周期为60,120,180,240秒的参考方波。
4)操纵加热器半周期开,半周期关的周期性供电。
5)操纵进水电磁阀门半周期热端停水,停止加热的半周期进水。
4.数据记录
“程控”方式下数据自动发送到电脑进行记录和处置,处置进程参见“实验指导”中的“操作软件利用”。
四.实验内容
测量铜棒和铝棒的导热率。
实验场景图
1.打开水源,从出水口观看流量,要求水流稳固
1)热端水流量较小时,待测材料内温度较高,水流较大时,温度波动较大。
因此热端水流要维持一个适合的流速,大约200ml/分。
仿真软件对应实验场景中表示流速的箭头
维持一个适合的大小(大小如“
”即可)。
2)冷端水流量要求不高,只要维持固定的室温即可。
一样取200ml/分,仿真软件对应实验场景中表示流速的箭头
维持对应的大小。
3)调剂水流的方式是维持电脑操作软件的数据显示曲线幅度和形状较好为宜。
4)两头冷却水管在两个样品中是串联的,水流先走铝后走铜。
一样先测铜样品,后测铝样品,以避免冷却水变热。
5)事实上不用冷端冷却水也能实验,只是需要很长时刻样品温度才能动态平稳。
而且环境温度转变会阻碍测量。
水流调剂在仿真软件中是通过在实验场景中鼠标点击对应水龙头完成的。
2.打开电源开关,主机进入工作状态
3.在实验场景中通过鼠标右键弹出菜单,选择仪器电源开关。
3.“程控”工作方式
1)完成前述实验步骤,调剂好适合的水流量。
因进水电磁阀初始为关闭状态,需要在测量开始后加热器停止加热的半周期内才调整和观看热端流速。
2)打开操作软件。
操作软件利用方式参见“实验指导”中“操作软件利用”部份说明。
3)接通电源。
在实验场景中鼠标右键弹出菜单,选择“打开电源”接通测量仪器电源。
4)在操纵软件中设置热源周期T(T一样为180s)。
选择铜样品或铝样品进行测量。
测量顺序最好先铜后铝。
6)设置x,y轴单位坐标。
x方向为时刻,单位是秒,y方向是信号强度,单位为毫伏(与温度对应)。
7)在“选择测量点”栏当选择一个或某几个测量点。
8)按下“操作”栏中“测量”按钮,仪器开始测量工作,在电脑屏幕上画出T~t曲线簇,如以下图所示。
上述步骤进行40分钟后,系统进入动态平稳,样品内温度动态稳固。
现在按下“暂停”,可选择打印出曲线,或在界面顶部“文件”菜单当选择对应的保留功能,将对应的数据存储下来,供数据测量所用。
“滑腻”功能尽可能不要按,避免信号失真。
9)实验终止后,按顺序先关闭测量仪器,然后关闭自来水,最后关闭电脑。
如此能够避免因加热时无水冷却致使仪器损坏。
铜的热导率测量:
铝的热导率测量:
4.数据处置
测量数据额T~t曲线簇
运算机将该数据保留好后进行数据处置。
从取得的T~t曲线簇当选取数条曲线进行处置,一样铜取6条,铝取5条。
对掏出的曲线测出其峰值。
上图中一共取了7条曲线,对应的测量点位置别离为l1=0cm,l2=2cm,l3=4cm,…l7=12cm,每条曲线对应峰值的时刻别离为t1,t2,…t7。
相邻曲线峰值对应的时刻差和距离不同离为∆t和∆l。
曲线1和6对应的时刻差为t6-t1=5∆t,距离差为l6–l1=5∆l。
那么热波波速:
。
依照式(8)
即可取得样品的热导率,单位是w/(m*K)。
1.计算铜的热导率:
2.计算铝的热导率:
五.注意事项
1. 仿真软件操作提示:
在界面上单击鼠标右键或选择“实验帮忙”,选择弹出菜单的“实验内容”、“实验指导”指导实验进行。
鼠标在界面移动时,相应物体位置会显现提示信息。
2. 为避免因加热时无水冷却致使仪器损坏,实验前要第一打开冷热端进水龙头,实验终止时要先关闭测量仪器,然后关闭自来水,最后关闭电脑。
3. 实验中尽可能维持热端水流稳固,以避免水流波动致使系统无法达到动态平稳,从而阻碍测量结果。
4. 测量进程中,无法更改样品类型和热源周期,暂停时候能够更改加热周期。
实验前选好热源加热周期,周期一样取180s。
实验中尽可能不要变更热源周期,以避免破坏系统的动态平稳。
5.实验中一次测量中超过最大时刻长度9000s后,系统将自动停止测量。
若是需要继续测量,请先保留当前数据后在“新建”新的数据文件进行测量。
6. 选择工具栏“刷新”功能,将依照当前操作软件设置刷新数据显示。
7. 按下“暂停”按钮后,加热器暂停加热,热端开始进水。
暂停期间系统暂停测量数据。
按下“测量”恢复运行时,当前时刻与暂停前时刻之间数据显示的一条直线表示暂停期间没有数据测量。
8. 按下“滑腻”按钮滑腻数据时,将覆盖当前数据。
若是要保留当前数据,请在滑腻前进行保留。
9. 为了幸免残余高次谐波对测量的阻碍,在数据处置前最好先对数据曲线进行滤波处置。
按下“滤波”按钮将对当前数据显示区内数据进行处置,处置结果中只保留当前显示区内的数据。
若是需要保留其他数据,请在滤波处置前保留。
10.“滤波”处置时,要保证数据显示区内至少有2个完整周期的以上数据,不然将造成处置结果不睬想。
11.按下“计算”按钮进入“数据处置”窗口系统以为本次测量终止,将自动停止测量。
若是需要继续测量时,请关闭“数据处置”窗口后,从头成立一个数据文件,然后在开始测量。
12.按下“计算”按钮进入“数据处置”窗口时,系统把当前数据显示区的加热周期作为数据处置的加热周期。
为了幸免计算错误,数据来源的显示区内加热周期不要有转变。
六.试探题
1.若是想明白某一时刻t时材料棒上的热波,即T~t曲线,将如何做?
答:
观看测量状态显示中的运行时刻,到待测时刻时,摁下操作栏中的暂停键即可取得某时刻材料棒上的热波。
2.什么缘故较后面测量点的T~t曲线振幅愈来愈小?
答:
高次谐波随距离快速衰减,因此较后面测量点的T~t曲线振幅愈来愈小。
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