含水保温材料导热系数预测模型

刘超 王后密 关召帅 李东庆 明锋

摘 要：为更好描述含水条件下保温材料导热系数的变化，基于保溫材料的高分散相体积特点，在经典Ｃｈｅｎｇ?Ｖａｃｈｏｎ 模型基础上，通过改变分散相形状，提出了一种适用于任意分散相体积分数的多孔介质导热系数预测模型。通过引入体积修正系数，来间接反映传热路径、界面热阻、分散相形状等因素对导热系数的影响，进而提高模型的预测精度。最后，利用实测数据及已有模型对改进模型的有效性进行验证。结果表明：试验结果验证了模型的可靠性，导热系数与分散相体积成负相关关系，而导热系数与含水率成正相关关系。拓展了Ｃｈｅｎｇ?Ｖａｃｈｏｎ 模型在保温材料导热系数预测中的应用范围。

关键词：渠道工程；保温材料；导热系数；体积修正

中图分类号：ＴＶ４９；ＴＶ９１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１２．０２８

引用格式：刘超，王后密，关召帅，等．含水保温材料导热系数预测模型［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１２）：１５７－１６２．

受季节性气温变化的影响，我国北方地区的渠道经常发生冻胀、融沉破坏，导致渠道失去输水、防渗功能［１］ 。为减少寒区渠道冻胀破坏，通常采用在渠底铺设保温板的方式来消减冻胀影响［２］ 。然而，受多孔吸湿特征的影响，保温材料在服役过程中产生吸湿［３］ ，导致其含水率发生变化。通常条件下，保温层设计厚度依据干燥状态保温材料的导热系数确定。由于热工计算过程中忽略了含水率对导热系数的影响［４］ ，导致保温层设计厚度不足，这将影响保温防冻效果，因此合理确定保温材料的导热系数是渠道保温设计的关键。

受服役环境的影响，保温材料可能从干燥状态转为含水状态［５－６］ 。因为水分是影响保温材料导热系数的关键因素，所以学者们在含水材料导热系数测试方面开展了大量工作［７－８］ 。研究结果表明：保温材料导热系数均随含水率的增大而增大，但不同材料的导热系数对含水率的响应有所差别［９］ ，当体积含水率在０～３．５％范围时，混凝土的导热系数随含水率的增大线性增长［１０］ ；对于ＥＰＳ 材料，采用二次幂函数来描述导热系数和体积含水率的关系更为合适［１１］ ；对于木屑－混凝土复合材料，可用指数函数描述其在高含水率时导热系数与含水率的关系［７，１１］ 。虽然可采用实测方法拟合得到导热系数与含水率的关系，但是某一材料的试验结果并不能推广到其他材料。

含水保温材料可以认为是一种由连续相和离散相组成的两相材料。对于两相材料，其基本的导热系数模型有并联模型、串联模型、Ｍａｘｗｅｌｌ?Ｅｕｃｋｅｎ 模型和等效介质理论模型等［１２］ 。串联模型和并联模型分别假设热流是垂直和平行两相材料，而复合材料的组分是随机分布的。尽管串联、并联模型的适用范围广，但其预测精度不高［１３］ 。与串联和并联模型相比，Ｍａｘｗｅｌｌ?Ｅｕｃｋｅｎ 模型和等效介质理论模型可较好地预测材料的有效导热系数，但这两种模型并不适用分散相体积较大的情况［１４］ 。上述模型均以组分体积分数为核心，并未涉及材料的孔隙结构参数［１５］ 。为此，在基本导热模型的基础上，研究者们加入气孔尺寸、形状等因素的影响，对多孔材料导热系数模型进行改进［１６］ 。