含水保溫材料導熱系數預測模型

劉超 王后密 關召帥 李東慶 明鋒

摘 要：為更好描述含水條件下保溫材料導熱系數的變化，基于保溫材料的高分散相體積特點，在經典Ｃｈｅｎｇ?Ｖａｃｈｏｎ 模型基礎上，通過改變分散相形狀，提出了一種適用于任意分散相體積分數的多孔介質導熱系數預測模型。通過引入體積修正系數，來間接反映傳熱路徑、界面熱阻、分散相形狀等因素對導熱系數的影響，進而提高模型的預測精度。最后，利用實測數據及已有模型對改進模型的有效性進行驗證。結果表明：試驗結果驗證了模型的可靠性，導熱系數與分散相體積成負相關關系，而導熱系數與含水率成正相關關系。拓展了Ｃｈｅｎｇ?Ｖａｃｈｏｎ 模型在保溫材料導熱系數預測中的應用范圍。

關鍵詞：渠道工程；保溫材料；導熱系數；體積修正

中圖分類號：ＴＶ４９；ＴＶ９１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１２．０２８

引用格式：劉超，王后密，關召帥，等．含水保溫材料導熱系數預測模型［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１２）：１５７－１６２．

受季節性氣溫變化的影響，我國北方地區的渠道經常發生凍脹、融沉破壞，導致渠道失去輸水、防滲功能［１］ 。為減少寒區渠道凍脹破壞，通常采用在渠底鋪設保溫板的方式來消減凍脹影響［２］ 。然而，受多孔吸濕特征的影響，保溫材料在服役過程中產生吸濕［３］ ，導致其含水率發生變化。通常條件下，保溫層設計厚度依據干燥狀態保溫材料的導熱系數確定。由于熱工計算過程中忽略了含水率對導熱系數的影響［４］ ，導致保溫層設計厚度不足，這將影響保溫防凍效果，因此合理確定保溫材料的導熱系數是渠道保溫設計的關鍵。

受服役環境的影響，保溫材料可能從干燥狀態轉為含水狀態［５－６］ 。因為水分是影響保溫材料導熱系數的關鍵因素，所以學者們在含水材料導熱系數測試方面開展了大量工作［７－８］ 。研究結果表明：保溫材料導熱系數均隨含水率的增大而增大，但不同材料的導熱系數對含水率的響應有所差別［９］ ，當體積含水率在０～３．５％范圍時，混凝土的導熱系數隨含水率的增大線性增長［１０］ ；對于ＥＰＳ 材料，采用二次冪函數來描述導熱系數和體積含水率的關系更為合適［１１］ ；對于木屑－混凝土復合材料，可用指數函數描述其在高含水率時導熱系數與含水率的關系［７，１１］ 。雖然可采用實測方法擬合得到導熱系數與含水率的關系，但是某一材料的試驗結果并不能推廣到其他材料。

含水保溫材料可以認為是一種由連續相和離散相組成的兩相材料。對于兩相材料，其基本的導熱系數模型有并聯模型、串聯模型、Ｍａｘｗｅｌｌ?Ｅｕｃｋｅｎ 模型和等效介質理論模型等［１２］ 。串聯模型和并聯模型分別假設熱流是垂直和平行兩相材料，而復合材料的組分是隨機分布的。盡管串聯、并聯模型的適用范圍廣，但其預測精度不高［１３］ 。與串聯和并聯模型相比，Ｍａｘｗｅｌｌ?Ｅｕｃｋｅｎ 模型和等效介質理論模型可較好地預測材料的有效導熱系數，但這兩種模型并不適用分散相體積較大的情況［１４］ 。上述模型均以組分體積分數為核心，并未涉及材料的孔隙結構參數［１５］ 。為此，在基本導熱模型的基礎上，研究者們加入氣孔尺寸、形狀等因素的影響，對多孔材料導熱系數模型進行改進［１６］ 。