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物理学报 2023年第18期72卷 152-158页

作者：吴志鹏张创胡世谦马登科杨诺华中科技大学能源与动力工程学院武汉430074 杭州电子科技大学物理系杭州310018 云南大学物理与天文学院昆明650091 南京师范大学物理科学与技术学院南京210000

纳米“热点”系统中的梯度变化热导率,是纳米尺度热传导中的新现象.背后的新机理,为解决纳米器件散热等工程问题提供理论基础.首先回顾了近期在纳米体系中发现的热传导新现象.然后,重点围绕“热点”梯度热导率,阐述了不同维度体系的梯... 详细信息

纳米“热点”系统中的梯度变化热导率,是纳米尺度热传导中的新现象.背后的新机理,为解决纳米器件散热等工程问题提供理论基础.首先回顾了近期在纳米体系中发现的热传导新现象.然后,重点围绕“热点”梯度热导率,阐述了不同维度体系的梯度热导率变化规律.并根据原子振动模式与声子散射的变化,阐释了梯度热导率的物理机制.最后,概述了纳米“热点”的梯度热导率特性给纳米器件散热带来的新挑战和新机遇,并对未来在该方向研究进行展望.

关键词：声子工程微纳尺度导热纳米芯片热管理纳米“热点” 梯度热导率

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定向导热的钢渣陶瓷型梯度热导率沥青面层性能研究

定向导热的钢渣陶瓷型梯度热导率沥青面层性能研究

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作者：任志杰安徽建筑大学

学位级别：硕士

夏季沥青路面高温会加剧路面车辙和城市热岛效应,将缩短道路寿命并提高养护成本,对人类和环境产生危害。因此,有必要缓解夏季沥青路面高温。我国废弃的钢渣和陶瓷废料量逐年增多,形成资源浪费。由于钢渣和陶瓷集料的性能接近甚至超过天... 详细信息

夏季沥青路面高温会加剧路面车辙和城市热岛效应,将缩短道路寿命并提高养护成本,对人类和环境产生危害。因此,有必要缓解夏季沥青路面高温。我国废弃的钢渣和陶瓷废料量逐年增多,形成资源浪费。由于钢渣和陶瓷集料的性能接近甚至超过天然砂石集料,且热导率低,所以可用钢渣和陶瓷废料替代天然砂石,达到废物利用、减少砂石开采和缓解路面高温的目的。本文基于梯度热导率沥青路面降温原理和钢渣与陶瓷热导率较低特性,将钢渣和陶瓷集料作为传统导热改性材料和天然砂石集料的替代品,制备多种组合类型的梯度热导率沥青面层,通过室内日间吸热和夜间放热模拟试验、室外路面实况降温效果试验、路用性能试验,研究面层结构类型、钢渣和陶瓷的掺量、粒径对降温效果的影响,确定钢渣陶瓷型梯度热导率沥青面层的最优结构和材料组成。研究步骤和结果如下:(1)为研究钢渣和陶瓷集料对沥青混合料热导率的影响,分别制备五种掺量和五种粒径的钢渣和陶瓷马歇尔试件,通过稳态法测试试件热导率。结果显示,增加钢渣和陶瓷的掺量可降低沥青混合料热导率,但降低幅度逐渐变小。掺量一定时,掺入的钢渣和陶瓷的粒径越大,沥青混合料热导率降低得越少。(2)结合钢渣和陶瓷对沥青混合料路用性能和热导率的影响,设计不同掺量、粒径、面层结构的梯度热导率沥青面层组合类型,自主设计室内沥青路面日间吸热和夜间放热模拟试验,研究两个阶段中各梯度热导率沥青面层组合类型的降温效果。结果显示,SLAM-2、SLAM-3、CLAM-1、CLAM-2、SCLAM-1、SCLAM-4的降温效果较为符合要求。(3)为进一步验证其初步筛选组合类型贴近真实路况时的降温效果,重新确定最佳油石比并制备车辙板试件,自主设计室外路面实况降温效果试验,测量其从上午8:00至下午22:00的温度变化。结果显示,SLAM-2、SLAM-3、CLAM-1、CLAM-2、SCLAM-4的降温效果相差较小,在缓解高温车辙和夜间城市热岛效应上各有优势。忽略白天上面层温度略微升高时,SCLAM-1的降温效果最好。(4)为确保制备的梯度热导率沥青面层在缓解路面高温的同时,也满足路用性能的要求,进行相关试验。试验结果显示,钢渣沥青混合料型梯度热导率沥青面层同时具有降低路面温度和提升路用性能的效果。陶瓷沥青混合料型梯度热导率沥青面层的路用性能虽有所下降,但仍满足规范要求。钢渣陶瓷沥青混合料型梯度热导率沥青面层的高低温稳定性有所提升,而水稳定性的下降可以忽略。图[65]表[28]参[81]

关键词：沥青路面高温梯度热导率钢渣陶瓷

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高原冻土地区复合热诱导结构的设计与性能

高原冻土地区复合热诱导结构的设计与性能

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作者：王国昊东南大学

学位级别：硕士

在高原冻土地区,减少路面太阳辐射吸收量,同时积极诱导路面内热量向上传导,是实现冻土路基稳定性的重要途经。本文从梯度热导率结构原理出发,提出一种基于路表反射层及路表路面内一体化梯度热导率的沥青路面复合热诱导结构。为了获得路... 详细信息

在高原冻土地区,减少路面太阳辐射吸收量,同时积极诱导路面内热量向上传导,是实现冻土路基稳定性的重要途经。本文从梯度热导率结构原理出发,提出一种基于路表反射层及路表路面内一体化梯度热导率的沥青路面复合热诱导结构。为了获得路面内的梯度热导率分布,本文通过在混合料内添加一定比例的漂珠,实现了对热导率的调控。通过导热系数测试及路用性能试验,确定了漂珠的添加量控制在矿粉体积的37.5%之内。本文利用ABAQUS软件,对梯度热导率结构进行了设计及分析,并对复合热诱导结构进行了验证。结果表明,优选的梯度热导率结构相较于对照组,暖季路基顶吸热量降幅为10.77%,路基顶年净吸热量降幅为11.53%,暖季路基顶平均温度下降0.916℃。与对照组结构相比,复合热诱导结构的暖季路基顶吸热量降幅为34.27%,年净吸热量降幅为63.31%,暖季路基顶平均温度下降2.591℃。通过对涂料配方及涂层结构进行优化设计,并利用高热导率抗滑颗粒,实现了涂层热导率与路面结构内的梯度热导率结构相配合;通过对涂料及涂层部分参数及性能进行测试,确定了抗滑颗粒撒布量为200g/m时抗滑性能基本恢复,并对涂刷量、涂层颜色等进行了分析。通过室内照射试验,分别验证并分析了反射涂层、梯度热导率结构及复合热诱导结构的效果。结果表明,使用铬系黑色颜料(记为颜料T)或苝系黑色颜料(记为颜料B),相较于炭黑,试件表面的降温增幅分别为90.58%、100.39%,试件底部的降温增幅分别为90.99%、96.19%。相较于单一的面层梯度热导率结构,复合热诱导结构能显著提高沥青路面内的降温效果,最佳方案的表面及上面层、中面层、下面层层底的降温效率分别为28.74%、47.58%、29.21%、21.57%;而单一梯度热导率结构的降温效率分别为-2.92%、13.10%、14.06%、12.25%。本文提出的复合热诱导结构是一种对路表和路面内部均具有高效降温效果的一体化热诱导结构,有望为高原冻土区沥青路面散热、降低沥青路面的热病害、增强冻土路基稳定性,提供一种更高效的结构。

关键词：沥青路面热诱导梯度热导率反射涂层冻土路基一体化散热

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灌浆复合定向导热路面结构设计与性能研究

灌浆复合定向导热路面结构设计与性能研究

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作者：姜晗东南大学

学位级别：硕士

城市道路、高速公路、机场跑道等路面由于太阳辐射吸收强、传热效率低,使得路面内部容易产生高热量积聚,引发路面高温病害、加剧城市热岛效应等问题,尤其在多年冻土区,路面吸热快、散热慢的特征还会威胁路面下冻土基础的稳定性。本文从... 详细信息

城市道路、高速公路、机场跑道等路面由于太阳辐射吸收强、传热效率低,使得路面内部容易产生高热量积聚,引发路面高温病害、加剧城市热岛效应等问题,尤其在多年冻土区,路面吸热快、散热慢的特征还会威胁路面下冻土基础的稳定性。本文从梯度热导率的原理出发,提出一种灌浆复合梯度导热法,即以大空隙沥青混合料作为骨架,以水泥基灌浆料作为骨架空隙的填充物和高/低导热粉体的载体,依次分层地灌注具有不同热导率的灌浆料至骨架空隙中,在骨架内形成多层灌浆料固化层,其中固化层的热导率呈梯度分布,使得路面内的热量趋向于沿着热导率增大的方向传递,并应用该方法在沥青混合料中建立灌注式梯度热导率结构设计灌浆复合定向导热路面。首先,为了获得设计路面结构的热物参数和梯度热导率分布,通过掺加一定质量比例的石墨和漂珠至灌浆料并灌注至大空隙沥青混合料中以调控灌浆复合路面的热导率。基于混合料试验和灌浆料试验研究这两种粉体的改性效果。结果表明,掺加漂珠和石墨在一定程度上会对灌浆料的流动性和力学性能产生不利影响,进而削弱复合沥青混合料的路用性能,并确定石墨和漂珠对灌浆料的质量比应控制在9%和12%以内;在此基础上,通过热性能测试证明了石墨/漂珠能够较大程度的提高/降低灌浆复合沥青混合料的导热性,并确定了混合料热常数的可控数值。为了控制定向热诱导效率,降低路面温度,提出并分析了一种灌浆复合定向热诱导结构(GC-DHIS)。该结构是基于灌浆复合梯度导热法将不同导热性的灌浆依次灌注至同一个基体沥青混合料骨架中形成的,其中灌浆料固化层的热导率从上至下依次增大。根据灌浆复合路面的结构特点和梯度导热的原理,可以将路面内的热量快速下传至路基。采用有限元模拟研究GC-DHIS的传热性能和降温效果,并通过室内照射试验验证模拟结果。结果表明,在灌浆料中分别添加12%漂珠(顶层)、9%漂珠(中层)、3%石墨(底层)的设计结构在吸热期和放热期与大气交换的热量比对照结构分别少7.10%和7.98%,并且该结构能够提高路面全天的热量有效下传率,将路面内部的最高温度降低了0.9℃(2cm)、1.9℃(5cm)、0.8℃(10cm)。因此该结构能够有效减小路面向外界环境的放热量,缓解夜间城市热岛效应;相比对照结构,灌注梯度高导热灌浆(石墨掺量为顶层3%+中层6%+底层9%)的GC-DHIS在吸热期将2cm、5cm、10cm深度处的总下传热量分别提高7.0%、11.9%、17.4%,同时该结构的表面温度在这一时期呈缓慢上升趋势。因此高效的向下传热和较低的路表温度使得该结构有望在白天诱导路面内热量向下加速定向传递,降低城市低空温度和路面积热。为了增强机场道面定向散热以保护多年冻土地基,通过对双面层式沥青混合料骨架应用灌浆复合梯度导热法,并基于层间粘结层增设热诱导层和高热阻层,设计了灌浆复合高取向散热结构(HOHD-GCPS)。有限元模型计算结果表明,HOHD-GCPS能够减少冻土的夏季吸热量并增加冬季放热量,将年净吸热量降低12.3%,这归因于该结构对于面层以下各结构层的热量传递具有一定的取向向上驱动作用。在冷季放热最强的2h,HOHD-GCPS在土基层、从面层至冻土的放热效率分别比对照结构高出19.1%和24.2%;在暖季吸热最强的14h,该结构将面层、从冻土至面层的吸热效率分别降低了23.9%和12.1%,因此HOHD-GCPS具有“疏冷阻热”的功能,能够有效缓解道面结构对冻土地基的热扰动。相比对照组,当外界环境的温度高于道面结构内部时,HOHD-GCPS在内部全深度范围内的温度更低,在夏季和冬季最多分别降低了2.64℃和1.52℃;当外界环境的温度低于道面结构内部时,该结构在面层上中部的温度较高,在面层下部至土基范围内的温度较低。这是由于HOHD-GCPS加快了面层以下各层向上放热,室内照射实验的温度分布也验证了这种高取向向上散热的趋势。基于灌浆复合梯度导热法设计的定向导热路面,结合了大空隙沥青混合料的结构特征和水泥基灌浆料的高流动特性,发挥梯度热导率的热诱导作用,赋予路面强化定向传热和主动降温的能力,有助于解决路面高积热问题。在未来不同的工程应用中,有望缓解路面高温病害、城市热岛效应以及多年冻土区路面的冻融破坏。

关键词：灌浆复合路面梯度热导率路面降温定向热诱导高取向散热

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