由于真空玻璃的導熱系數(shù)測量復雜，本文提出一種基于非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的軟測量表征真空玻璃導熱系數(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，對數(shù)學物理模型進行求解，建立非加熱面的中心溫度計算公式。然后，利用數(shù)值仿真軟件FLUENT 對物理模型進行溫度場仿真。

　　仿真結(jié)果表明：檢測時間少于5 分鐘，達到節(jié)約時間的目的；為保證溫度測量準確，取多個測量點的測量值；為減小測量誤差，采用圓形加熱片時，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)研究真空玻璃導熱系數(shù)與溫度變化之間的關系奠定一定的理論和應用基礎，對實驗有指導意義，為真空玻璃導熱系數(shù)的在線檢測和其過程的優(yōu)化控制提供指導。

　　在推進節(jié)能型社會建設的進程中，建筑節(jié)能是不能忽視的重要方面。門窗耗費的能量不容小覷。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的真空玻璃是一種性能優(yōu)異的新型節(jié)能建材，在全社會節(jié)能減排的趨勢下，受到了人們的廣泛關注。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，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，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)外溫差達到50℃也不會出現(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)境的腐蝕及不可預料的外力沖擊作用，這些都會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。周期性地對真空玻璃性能進行檢測與監(jiān)測，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。

　　國內(nèi)外廣泛使用的熱傳導性能測試方法尚無統(tǒng)一的標準，主要使用穩(wěn)態(tài)測量方法。穩(wěn)態(tài)熱傳導測試方法的基本原理如下：首先被測試的樣品兩個表面形成恒定的溫差，平衡一段時間后，試樣內(nèi)部的溫度分布不再隨時間變化，即進入穩(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、溫差和導熱系數(shù)之間的關系反解出導熱系數(shù)。不過，由于真空玻璃熱擴散系數(shù)很小，為使試樣達到穩(wěn)態(tài)熱量傳遞狀態(tài)，需要較長的實驗時間。同時，為了使熱流單向一維流動，試驗裝置必須配備良好的絕熱層，同時，樣品邊界附近的漏熱現(xiàn)象將影響到測試結(jié)果，而且為了保持被測試的樣品兩個表面的溫差恒定，試驗裝置需具有良好的恒溫系統(tǒng)，從而使得試驗裝置較復雜和冗雜。

　　文獻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，本文在此基礎上，提出非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，建立非熱源側(cè)溫度計算方法并利用CFD 數(shù)值仿真技術(shù)，進行溫度數(shù)據(jù)分析，并提出在實驗中測量溫度要注意的事項。

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，應用連續(xù)介質(zhì)假設，將真空玻璃用某一均勻連續(xù)介質(zhì)作為其等價介質(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)。

　　當物體的溫度隨著時間的變化而隨之變化時，這個導熱過程稱之為非穩(wěn)態(tài)導熱。導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特定的非穩(wěn)態(tài)導熱問題。結(jié)合傅立葉導熱定律與半無窮假設，如圖2 所示：將在加熱過程中的真空玻璃看作是無限大的，即在時間τ=0 時，位置x=0 處的表面受到擾動，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)設計到最后的參數(shù)優(yōu)化，利用CFD 軟件可以使人們細致入微地觀察全部情況。通過數(shù)學方程描述物理問題的數(shù)值求解的基本思想可概括如下：在時間坐標系與空間坐標系中，原本是連續(xù)變化的物理量的場，通過網(wǎng)格劃分手段，用數(shù)量極多(可以代表物理量的場的特性)但有限個(數(shù)學方程可以解出)離散點上的值的來代替原來的物理量的場，這樣求解關于這些離散點上的值的代數(shù)方程，就可以獲得離散點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

　　本文研究內(nèi)容基于UG、ICEM 和FLUENT 商用軟件。運行的計算機主要配置為：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。所以在UG 軟件中建立真空玻璃的幾何模型時，應盡量與實際情況相一致；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，并導出ANSYS ICEM 可以識別的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。

　　考慮到在實驗過程中，溫度是唯一的測量量，真空技術(shù)網(wǎng)（http://203scouts.com/）認為它的準確性十分重要。在數(shù)學模型中，假設了溫度只沿x 軸方向進行一維導熱，這樣，理論上，只要測得溫度與時間的變化關系即可得出導熱系數(shù)λ 表征的值。不過，在實驗中，不得不考慮到溫度的y 軸傳熱過程，即徑向傳熱過程。所以，在實驗中就必須合理地解決測溫點的選取問題，提高實驗的準確性及復現(xiàn)性。

2.1、測溫點的選取

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)完全可以測量多個測量點，完成實驗。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溫度較高，同時為了避免在實驗中出現(xiàn)的隨機將測溫點布置在溫度較高附近，所以，測溫點不能僅僅選擇一個，而是要在形心某一半徑范圍內(nèi)布置多個，取各個溫度值，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，測溫點的溫度變化情況。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)�熱對測量點的溫度影響逐漸變小，相同時刻的溫度誤差越來越小。當加熱片面積增大到一定程度，對精度的貢獻及在工程應用上的影響，可以忽略不計。

圖5 測溫點溫度與加熱片面積關系

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)化進程的加快獲得越來越廣泛的應用。其相關性能參數(shù)的測量也愈發(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算公式，并通過CFD 仿真，分析模型的可行性及指導下一步實驗相關測量注意事項。

　　3.1、與穩(wěn)態(tài)測試方法相比，非穩(wěn)態(tài)方法是測量試樣升溫趨勢的動態(tài)過程，測試時間長短可以靈活掌控，滿足短時間的測試要求。

　　3.2、該方法測量出表征導熱系數(shù)的同時，也可實現(xiàn)對表征熱擴散系數(shù)的分析確定。對于評價自身熱工性能、分析非穩(wěn)態(tài)過程的研究和應用具有重要意義。

　　3.3、通過建立合理化的傳熱模型，得到對真空玻璃傳熱后側(cè)(非熱源側(cè))中心溫度實時測量，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、溫度測量是下一步實踐中的重點，在測溫點及加熱片的選取問題中，通過仿真，得出了取多個測量點的測量值，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，具有指導意義。