Теплозвуковая аналогия для исследования теплозвукофизических свойств твердых материалов

Введение. Рассматривается метод теплозвуковой аналогии, с помощью которого определяются теплозвукофизические свойства твердых строительных материалов. Приведено математическое исследование, которое позволило выявить параметры, зависимости и критерии, характерные для процесса распространения температурных и звуковых волн в твердых материалах, и вывести новый физический смысл температуропроводности. Математический эксперимент подтвержден проведенным экспериментальным исследованием на образце из фторопласта.

Материалы и методы. Разработанная авторами методика определения комплекса теплозвукофизических свойств твердых материалов базируется на теплозвуковой аналогии. Температурные и звуковые колебания (волны) распространяются в твердом теле по закону косинуса и легко создаются в лабораторных условиях, что дает возможность провести экспериментальное исследование, основанное на измерении температуры и плотности теплового потока на поверхности образца.

Результаты. На основании проведенного эксперимента на исследуемом образце получены экспериментальные данные по температурам и тепловому потоку, что позволило, используя разработанную авторами методику, рассчитать теплозвукофизические свойства материала: теплопроводность, объемную теплоемкость, температуропроводность, поверхностную скорость температурной волны, а также акустическую скорость звука в материале. Математический эксперимент по теплозвуковой аналогии дал возможность установить закон температурной волны. Выведенное правило температурной волны позволило сформулировать новый физический смысл температуропроводности вещества.

Выводы. Полученные экспериментальным путем теплозвукофизические свойства материала согласуются с данными, приведенными в справочной и технической литературе, расхождение не превышает 5 %, что подтверждает проведенный математический эксперимент. Теплозвуковая аналогия позволяет определять не только температуропроводность, но и скорость звука в материалах по температурным и тепловым измерениям на поверхности.

1. Патент RU № 2767468 С1, МПК G01N 25/18, G01N 3/54. Способ определения комплекса теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов / Фокин В.М., Ковылин А.В.; патентообл. Ковылин А.В.; заявл. № 2023104914 от 01.03.2023; опубл. 01.08.2023. Бюл. № 22.

2. Дмитрович А.Д. Определение теплофизических свойств строительных материалов. М. : Госстройиздат, 1963.

3. Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике. М. : Связь, 1979. 312 с.

4. Vladimirovich K.O., Aleksandrovich P.S., Alexandrovich P.A., Sergeevna S.E. Automated portable installation to determine the thermo physical properties of the object // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2019. Vol. 16. Issue 7. Pp. 3115–2120. DOI: 10.1166/jctn.2019.8228

5. Vladimirovich K.O., Aleksandrovich P.S., Alexandrovich P.A., Sergeevna S.E. Measuring the thermo physical properties of construction projects // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2019. Vol. 16. Issue 7. Pp. 3121–3127. DOI: 10.1166/jctn.2019.8229

6. Shaimerdenova K.M. Investigation of the thermophysical characteristics of minerals at various heating parameters // Eurasian Physical Technical Journal. 2021. Vol. 18. Issue 1. Pp. 70–74. DOI: 10.31489/2021no1/70-74

7. Mikailsoy F.D. On the influence of boundary conditions in modeling heat transfer in soil // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2017. Vol. 90. Issue 7. Pp. 67–79. DOI: 10.1007/s10891-017-1540-y

8. Yakushkin I.P. Development of a module to measure losses through building envelopes for the smart energy-saving ventilation automatic control system // International Journal of Control Theory and Applications. 2016. Vol. 9. Issue 30. Pp. 1–7.

9. Kuznetsov G.V., Katz M.D. Analysis of conditions for determining the thermophysical characteristics of energetic materials by the laser pulse method // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2016. Vol. 10. Issue 6. Pp. 978–982. DOI: 10.1134/s1990793116060051

10. Yur’ev B.P., Gol’tsev V.A. Thermophysical properties of Kachkanar titanomagnetite pellets // Steel in Translation. 2016. Vol. 46. Issue 5. Pp. 329–333. DOI: 10.3103/s0967091216050168

11. Dzhuraev D.S., Safarov M.M. Studies of thermophysical properties of ferrofluids // Measurement Techniques. 2016. Vol. 59. Issue 7. Pp. 743–746. DOI: 10.1007/s11018-016-1040-z

12. Shchukina T.V., Sheps R.F., Burak E.E. Energy-saving regimes examination during new generation building structures insolation: international multi-conference on industrial engineering and modern technologies electronic edition // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 463. P. 022072. DOI: 10.1088/1757-899x/463/2/022072

13. Kryuchkov O.B., Malenko P.I., Konovalov S.S., Kostygova O.V. The study of the influence of the initial furnace temperature on the temperature drop across the section of a billet using physical modeling // Черные металлы. 2018. № 12. С. 34–40. EDN OFJHLU.

14. Брайцев Э.В., Сиссе М., Ватин Н.И. Определение звукоизоляции воздушного шума перегородок готовых сантехнических модулей компании «Modulbau» Россия // Неделя науки ИСИ : мат. Всерос. конф. в 3 частях. Ч. 2. 2021. С. 123–126. EDN YYLOKM.

15. Усадский Д.Г. Методы технического контроля эффективных энергетических систем зданий и сооружений // Новая наука: стратегии и векторы развития. 2016. № 4–2 (76). С. 181–184. EDN VTKXAV.

16. Удалова А.П., Чернышов В.Н. Метод неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов и изделий с использованием СВЧ-нагрева в реальных условиях эксплуатации изделий // Контроль. Диагностика. 2021. Т. 24. № 11 (281). С. 58–63. DOI: 10.14489/td.2021.11.058-063. EDN WQHUYU.

17. Чернышов А.В., Голиков Д.О., Чернышов В.Н. Метод и система оперативного контроля теплофизических характеристик строительных материалов // Контроль. Диагностика. 2010. № 11. С. 57–61. EDN NBNGXN.

18. Корниенко С.В., Ватин Н.И., Горшков А.С. Оценка теплозащиты эксплуатируемых жилых зданий из газобетонных блоков // Энергосбережение. 2016. № 7. С. 56–72. EDN WWCNPZ.

19. Беранек Л. Акустические измерения. М. : Изд-во иностр. лит., 1952. 627 с.

20. Фокин В.М., Ковылин А.В., Усадский Д.Г. Метод определения теплофизических свойств твердых материалов с использованием волнового температурного числа // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2023. № 2 (770). С. 101–112. DOI: 10.32683/0536-1052-2023-770-2-101-112. EDN PRGMTS.