（动力工程及工程热物理专业论文）同心环形通道内强制对流换热的实验研究.pdf

一删嗍螋1 e x p e r i m e n t a ls t u d yo n f o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r i nc o n c e n t r i ca n n u l a rc h a n n e l s at h e s i ss u b m i a e df o rt h ed e g r e eo f m a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gn a s u p e r v i s o r ：p r o f x um i n g h a i c o l l e g eo f a r c h i t e c t u r e & s t o r a g ee n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代丌始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 乃鼢。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 。 本人完全了解中国学位论文全文数据库歼发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的杖利。 论文题目：回! 坠坯形道堂囱强盏过速逸垫的塞验班究 毕业院校：史圈虿迪态堂( 垡丕2 毕业时l 日j ：2 q ! q 生z 旦 ： 论文类型：博士论文口硕士论文 博士后研究报告口同等学力论文 口 授权人签字： 同期：a o l o 年 张好 岁月3 f 同 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：张翊壁同期：2 口f d 年5 月仔日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：筮壶丑壁 指导教师签名： 闩期：2 口o 年岁月侈f 1 r 期：2 吖绰厂月旷日 摘要 环形通道内的对流换热在换热器、核动力装置等领域内得到了比较广泛的应 用，也受到了越来越多的重视，但目前国内外对环形通道内单相流动换热特性的 研究还不是很充分，许多问题还没有得到解决。 本文以空气为介质，对圆管和3 种i 、日j 隙( 1 2 5 m m 、9 m m 、6 m m ) 的水平同 心环形通道，在心数范围为1 0 4 - 6 x 1 0 4 ，外壁面等热流，内壁面绝热条件下的强 制对流换热特性进行了实验研究和f l u e n t 数值模拟。文中分别采用水力当量 直径和加热当量直径为定性尺寸对实验数据进行了分析，并探讨了质量流量、热 流密度和间隙大小对对流换热的影响，结果表明： 1 环形通道内的对流换热系数随尺p 数的变化趋势与圆管内是一致的，均随着尺p 数的增大而增大。但环形通道不一定能够强化换热，对本实验来说，6 m m 间隙 的环形通道强化了换热效果，但对9 m m 和1 2 5 m m 间隙的环形通道来说，并没 有强化换热。 2 采用加热当量直径为定性尺寸要比采用水力当量直径更为合理。 3 随着质量流量的增加，换热系数逐渐增大；随着热流密度的变化，换热系数呈 无规则变化；随着环形l 、日j 隙的减小，换热逐渐增强。 4 环形通道内的单相摩擦阻力系数小于相同条件下圆管内的阻力系数，并且随着 环形间隙的减小，摩擦阻力系数逐渐减小。 5 f l u e n t 数值模拟结果与实验拟合值虽然有些偏差，但总体变化趋势相同，另 外得到了环形通道内速度场和温度场的分布。 关键词：环形通道，对流换热，摩擦阻力，数值模拟 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nf o r c e dc o n v e c t i o n h e a tt r a n s f e r i nc o n c e n t r i ca n n u l a rc h a n n e l s z h a n gn a ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x um i n g h a i a b s t r a c t t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ri na n n u l a rc h a n n e l sh a v eb e e np a i dm o r ea n dm o r e a t t e m i o nf o rt h e i rw i d ea p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n g ，s u c ha sh e a te x c h a n g e r a n dn u c l e a r p o w e r h o w e v e r , t h ep r e v i o u sr e s e a r c hi nt h i sa s p e c t i sd e f i c i e n t ，a n dt h e r ea r em 觚y p r o b l e m st ob es o l v e d i nt h i ss t u d y ，u s i n ga i r a sw o r k i n gm e d i a ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fi n n e rw a l l a d i a b a t i ca n do u t e rw a l lw i t hu n i f o r mh e a tf l u x e s ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff o r c e dc o n v e c t i o nh e a t t r a n s f e ri nc i r c u l a rt u b ea n dh o r i z o n t a l c o n c e n t r i c 龇m u l a rc h a n n e l s ( t h es i z e so f a n n u l a rg a pa r e12 5 m m ，9 m ma n d6 m m ) a r e c a r r i e do u t ，t h er e y n o l d sn u m b e rr a n g e sf r o m10 0 0 0t o6 0 0 0 0 t h ee x p e r i m e n t a l d a t a a r ea 1 1 a l y z e du s i n gh y d r a u l i cd i a m e t e ra n dh e a td i a m e t e ri nt h es t u d ya n d t h ee f f e c to f m i l s sf l o wr a t e ，h e a tf l u x e sa n dt h es i z e o fa n n u l a rg a po nh e a tt r a n s f e r i sa l s o d i s c u s s e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l v t h eh e a _ tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t i si n c r e a s e da sr ei n c r e a s e si n a n n u l a r c h a n n e l s t h es 锄ea st h a ti nc i r c u l a rt u b e i ts h o w st h a ta n n u l a rc h a n n e l sm a y n o t e n h a n c eh e a tt r a n s f e r i nt h i se x p e r i m e n t ，t h ea n n u l a r c h a n n e lo f6 m mg a pc a n e n h a n c eh e a tt r a n s f e r ，b u ti ti sn o tf o ra n n u l a rc h a n n e l so f 9 m ma n d12 5 m mg a p s s e c o n d l y ，u s i n gh e a td i a m e t e r i sm o r er e a s o n a b l et h a nu s i n gh y d r a u l i cd i a m e t e r t h i r d l v t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti si n c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s eo fm a s sf l o w r a t e o nt h ec o n t r a 吼t h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ti si n c r e a s e da st h ea n n u l a rg a p d e c r e a s e s t h eh e a t f l u x e sc h a n g eh a sh a r d l y i n f l u e n c e do nt h eh e a tt r a n s t e r c o e f f i c i e n t f o u r t h l y ，t h ef r i c t i o nf a c t o r sf o rs i n g l ep h a s e f l o wi na n n u l ia r es m a l l e rt h a nt h a t i n c i r c u l a u rt u b ea tt h es a m ec o n d i t i o n ，a n dt h e y a r ei n c r e a s e da st h ea n n u l a rg a p d e c r e a s e s l l y ，t h es i m u l a t i 。n v a l u ei sc 。m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t a l t h 。u 曲 t h e r ei ss o m ed e v i a t i 。n ，t h e 。v e r a l lt r e n di s 。f t h es a m e i na d d i t i 。n ，t h et e m p e r a t u r e a n dv e l o c i t yf i e l da r eo b t a i n e d k e yw 。r d s ：a n n l l l a r c h a n n e l ，c 。n v e c t i 。n h e a tt r a n s f e r , t h e 衔c t i 。n f a c t 。r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 环形通道内单相流动和换热的国内外研究现状2 1 2 1 加热方式对对流换热特性的影响一3 1 2 2 环形偏心圆截面管内的对流换热4 1 2 3 倾斜环形通道内的对流换热一5 1 2 4 环形通道内层流入口段换热特性的研究7 1 2 5 环形通道对流换热与壁面辐射耦合换热的研究8 1 2 6 旋转环形通道内的对流换热9 ，1 3 存在的主要f 口j 题9 1 4 本文研究目的和主要内容l o 第二章空气在同心环形通道内传热与流动的实验研究1 1 2 1 实验装置1 1 2 1 1 实验测试段简介1 2 2 1 2 热电偶及测点布置1 3 2 1 3 电加热系统1 4 2 1 4 流链测量及调节系统1 4 2 1 5 数据采集系统1 5 2 2 实验原理l 5 2 3 实验测量参数1 6 2 4 实验步骤1 7 第三章实验设备和数据处理方法18 3 1 实验设备的选择1 8 3 2 实验仪器的标定2 0 3 2 1 热电偶的标定2 0 3 2 2 毕托管的标定2 l 3 3 实验数据处理方法2 2 3 3 1 求外管内壁温度2 2 3 3 2 计算流体温度2 3 3 3 3 定性温度和通道当苗直径的确定2 4 3 3 4 换热鼙的计算一2 5 3 3 5 热流密度q 的确定2 6 3 3 6 对流换热系数h 的确定2 6 3 3 7 计算n u 、r e 2 7 3 3 8 摩擦阻力系数的计算_ 2 7 3 4 实验数据的不确定性分析2 8 第四章实验结果与分析3 1 4 1 单相换热特性的实验结果与分析3 1 4 1 1 圆管内换热的实验结果与分析3 1 4 1 2 同心环形通道内换热的实验结果与分析3 5 4 1 3 影响单相对流换热的冈素4 l 4 2 单相流动特性的实验结果与分析4 5 4 2 1 圆管内摩擦阻力系数的计算与分析4 5 4 2 2 同心环形通道内摩擦阻力系数的计算与分析4 6 4 3 本章小结5 5 第五章f l u e n t 数值模拟：一5 6 5 1f l u e n t 软件简介5 6 5 1 1 程序的结构5 6 5 1 2f l u e n t 湍流模型5 7 5 i 3f l u e n t 求解方法5 7 5 1 4 边界条件类璀5 8 5 2 同心环形通道数学物理模型的建立5 9 5 3 圆管内f l u e n t 模拟结果6 1 5 4 同心环形通道内f l u e n t 模拟结果6 3 5 4 1 温度场模拟结果6 4 5 4 2 速度场模拟结果6 6 v 5 4 3 环形管道m 数模拟值与实验值的比较6 8 5 5 本章小结7 0 1 1 第六章结论“ 参考文献“。 附录7 7 致谢8 3 中图钉油人学( 华东) 硕i ：学位论义 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一旱珀v 匕 能源是国民经济重要的物质基础，也是人类赖以生存的基本条件。当今世界 对能源的消费数量急剧增加，人们感到能源供应已难以满足社会的需求，能源危 机的阴影笼罩着整个世界。显然，如今能源不足对一个国家经济发展和政治稳定 的影响是很大的，能源问题已成为当今人类社会的热门话题之一。为了缓解能源 的供需矛盾，世界各国都在积极研究开发新能源以及寻求节约能源的方法，如发 展核能和利用太阳能等等。而对对流换热以及强化换热问题的研究，便是一种节 约能源和提高能源利用率的有效途径。 环形通道作为一种重要的换热通道形式，在核动力装置、太阳z f j - , 匕i - - 利用、石油 化工、生物制冷以及钻井工程中都有非常广泛的应用。如核反应堆中的自然冷却、 大电流母线的散热、太阳能集热器的设计以及油f 只热采蒸汽注入井的环形隔热层 中的换热等等。在工程实际中还通常用于换热器以及蒸汽发生器中，而如何提高 这些换热设备的换热效率和结构的紧凑性是研究者们普遍追求的目标。环形管特 别是窄缝环形管就是一种非常有效的强化换热装置，它具有传热温差小、换热效 率高、体积比功率大、流动稳定性好等显著特点，并且结构紧凑，表面不易发生 沉淀和污染，能够满足现代换热设备对紧凑性和换热高效性的影响n 3 。 相比普通圆管，环形管道由于多了一个内壁面而使得环形通道内的对流换热 特性变得更为复杂。国内外许多研究者对环形通道内的流动和换热特性进行了实 验和理论研究，但主要以沸腾换热为主，对单相流体强迫对流换热方面的研究较 少，而流体单相强迫对流换热是换热器中最常见的形式之一心3 ，因此有必要对该 方面进行深一步的研究。另外，前人研究成果得出的比较一致的观点是环形通道 内的对流换热特性与普通圆管内是不同的，环形间隙的大小以及内外管的加热方 式对换热的影响非常大，但不同学者得出的结果不尽相同，有的甚至相互矛盾， 许多问题还未得到统一的定性回答，其内的流动机理和传热特性也还不是很清 楚，因此，我们必须对其进行深入的研究，本文的研究就是在这样的研究背景下 进行的。 第一审绪论 1 2 环形通道内单相流动和换热的国内外研究现状 自从1 8 8 3 年物理学家雷诺第一次定量地将单相流动形态分为层流和紊流以 来，人们对普通圆管内的单相流动与换热进行了充分的研究，能够很好地了解其 内的对流换热特性，对层流和紊流也分别总结了许多通用的经验公式，到现在已 经基本上能够满足工程实际的需要。 而环形通道内的流动与换热是近年来出现的一个比较新的研究领域。国外对 该方面的研究相对较多，开始于上世纪六、七十年代，而且最早是从研究环形管 内的单相流动丌始的。早期的研究者多采用实验方法进行研究，且大部分局限于 介质为空气，环形间隙较小、直径比较大的环形管。 q u a r m b y 。”以雷诺数和环形通道的半径比为变量对同心环形通道内的等温流 进行了分析，结果给出了摩擦阻力系数，内壁和外壁附近的速度处理方法以及轴 向速度达到最大时的位黄。 a z o u s h l 等人采用湍流低雷诺数k r 两方程模型和混合长度模型对同心和偏 心环形通道内等温流进行了模拟。 k a n g 牺1 和z a r a t e 阳1 对内外径比为0 4 1 5 的竖直同心环形通道内的温度场和 流场分布以及轴向和径向的流速和温度波动进行了实验研究和数值模拟。 路广遥，孙中宁盯1 等人采用实验方法，在冷念和加热两种条件下，对间隙为 3 m m 的同心环形通道，在三个流动方向上的摩擦阻力特性进行了研究。实验结 果表明，冷态时，同心环形通道内的流动阻力特性与普通圆管内不同，流态转变 点提前，转变雷诺数为1 1 0 0 1 5 0 0 ；加热时，流体流动方向和进出口温差对环形 通道内的阻力特性有影响，但主要集中在层流区，对紊流区的影响可以忽略不计。 g u n n 等即3 和s a d a t o m i 等人脚1 采用实验研究表明，环形通道内的紊流摩擦阻 力系数与内外径的比值是关系的，且随着内外径比值的增大而增大，但b r i g h t o n 等人叫得出的结论却是紊流摩擦系数与内外径比值无关。 从前人的研究成果来看，可以得到一个统一的结论是，环形通道内的流动和 换热特性与普通圆管内是不一样的，有自己独特的流动与换热规律，不能再套用 普通圆管内的公式来计算其换热系数和摩擦阻力系数。但是，这个独特的规律具 体是个什么样的规律，换热和流动阻力相对同等条件下的普通圆管是增强了还 是减弱了，环形间隙大小具体是如何影响对流换热特性的等等，这些问题到目前 2 中国钉油人学( 华东) 硕i ：学位论义 还没有得到一个定论，不同研究者得到的结论是不同的。 不过前人的研究成果可以确定的是，影响环形通道内对流换热特性的主要因 素有以下几个方面，第一是边界条件，即内外壁面的加热情况，是单内侧加热， 单外侧加热还是双侧同时加热，是等温加热还是定热流加热，第二是通道的几何 尺寸对其的影响，如内外管的半径比以及通道的高宽比等。此外通道内介质的物 性，如密度、导热系数、粘性系数以及n 数等对流动和换热也会产生一定的影响。 而对倾斜环形通道和偏心环形通道来说，倾斜角度和偏心率也将会对对流换热问 题产生相应的影响，对旋转环形通道来说，对流换热特性还会受到离心力和科氏 力的作用。 环形通道内的流动与换热情况从流态来说有层流流动和湍流流动；从管道布 置方式来说有水平布置、垂直布置和倾斜布置；从几何布置来说有同心环形管道 和偏心环形管道；有内部加热、外部加热以及双侧加热等；自然对流的强度影响 以及是否考虑内外管l 日j 的辐射等；实验介质可以是空气、水、油或制冷剂等；入 口段与充分发展段等。因此综合分析前人研究情况，主要在以下方面有所不同： 是用实验方法还是数值方法是单相流动与换热研究还是两相流动与沸腾换 热研究是同心还是偏心实验介质不同内外径比不同高宽比不同倾角 不同边界条件不同研究区域不同( 入口段或充分发展段) r a 数或r e 数范 围不同。因此，本文就从以上几个方面来具体描述国内外对环形通道内单相流动 和换热的研究情况。 1 2 1 加热方式对对流换热特性的影响 环形通道壁面的加热条件有内、外壁单独加热以及内外壁同时加热等情况， 针对这几种不同的加热情况，研究者们均做了相应的研究，以得到内外壁加热方 式对环形通道内对流换热特性的影响规律。 彭常宏1 等采用实验方法，对内外壁面同时加热的垂直环形通道内的对流换 热特性进行了研究，结果表明，单侧加热与双侧同时加热时内外管的换热特性是 不同的。单侧加热时，外管的换热要强于内管的换热，两侧同时加热时，内管换 热逐渐增强且外壁加热对内管传热和内壁加热对外管传热两者之间是相互影响 的。 曾和义，秋穗f 等“列以单相水为工质，对内外壁面同时加热的同心环形通道 3 一 第一章绪论 在充分发展时的对流换热特性进行了数值计算。结果表明，内外壁面加热热流密 度比值的不同，对同心环形通道内的对流换热特性有着非常明显的影响。当二者 比值较小时，内壁换热要强于外壁。当二者比值较大时，外壁换热逐渐增强，当 二者比值增大到一定程度时，外壁换热强于内壁。另外，环形间隙的大小对环形 通道内的换热特性也有一定的影响，当间隙减小时，换热减弱。 李斌等人3 1 以氟一1 1 3 为介质，对三种间隙( 1 、1 5 、2 5 m m ) ，双侧同时加热 垂直环形通道内的强制对流换热特性进行了实验研究。实验结果表明，对环形通 道内对流换热系数的求解不能再套用常规圆管内的对流换热公式，二者误差较 大。文献将d i t t u s b o e l t e r 公式进行修正，得到了不同间隙尺寸的环形管内的单相 对流换热公式。 白博峰等人n 们对间隙为2 0 5 m m 的同心环形管道，在单侧加热和双侧加热不 同的加热条件下水的对流换热特性进行了实验研究，并与普通圆管进行了比较， 得出了以下结论： ( 1 ) 对本文采用的垂直同心环形通道，层流向紊流转变的临界雷诺数为2 3 0 0 ， 与普通圆管内相同。 ( 2 ) 环形通道内的摩擦阻力系数要小于同等条件下普通圆管内的摩擦阻力系数， 加热时的摩擦阻力系数要小于冷念时的摩擦系数，并得到了相应的实验关联式。 ( 3 ) 环形通道相对普通圆管能够强化换热，并根据实验数据得到了换热的实验 关系式。 ( 4 ) 外管单独加热时的换热系数要比双侧同时加热时大。 总之，对于内壁单独加热，研究结果得出环形通道内的对流换热是与其内、 外径比值有关的，并根掘实验结果整理得到了与普通圆管不同的内壁加热环形通 道内的对流换热关系式。而对于内外壁面同时加热环形通道内的流动换热特性研 究者们有着不同的观点，内、外壁与流体的对流换热比较也都基于各自的实验研 究结果，得出的结论也不一致，甚至完全相反，表明有关环形流道内的传热机理 到现在也还没有真正弄清楚。 1 ，2 2 环形偏心圆截面管内的对流换热 相比同心坏形通道，对偏心环形管道内的对流换热特性研究较少，主要是由 于曲率和偏心距影响，以及需要考虑浮升力的作用，使得其内的换热特性比较复 4 中固油人学( 华东) 硕i ：学位论义 杂。 t r o m b e t t a 鼬对偏心圆截面直管在不同偏心距、不同曲率半径以及不同边界 条件下的对流换热特性进行了研究。 m a n g l i k r m & f a n g p p n 刚研究了不同偏心距的偏心直管在外壁面绝热，内 壁面恒温条件下的传热特性。 s h a a r a w i 7 1 对偏心环形通道在某个半径比下的充分发展流动进行了研究， 得到了偏心度对平均n u 数、压降、以及混合平均温度的影响分布； 范奎，麻剑锋们采用数值模拟的方法对环形偏心圆截面弯管内的流动换 热特性进行了分析研究，并得出下列流动控制方程： a “o uk o u o u d n 2 w 2o p f8 2 ua 2 “ r8 uk 2 瓦+ 瓦一万舻旺“瓦+ v 瓦+ r 一瓦一【丽+ 矿j mo x 一矿嵋 瓠 巩m a x 巩m瓠a 3 c 2劫z1 m 2 甜一8 u + v o u - i - d n 2 w 2 ：一鲨一p r g r o u o r t y + “宴一u 垂一三塑； 甜+ v 一= 一一一r + “ 一彳一一； 融 砖m 却 瓠2 砖 m 酞 a “8 ul f w l g k8 pa 2 wa 2 wko w z ，+ v 一+ 一= 一一+ _ + 了一：缸加mm d no s o x 2 o y 2m o x 。 “丝+ v o o 一一w 警：土f 窑+ 磐一羔翌1 ( 1 - 】1 ) “+ v 一一声= 一l 彳十1 一一一1 kl 。， 苏 o y mp r 誓p ri 舐2 匆2m 苏j 由于环形偏心弯管内的流场分布比较复杂，范奎等人也只是对此做了一些 初步的研究。 1 2 3 倾斜环形通道内的对流换热 对环形通道内对流换热规律的实验研究一般都是在通道处于水平和竖直情 况下进行的，而对倾斜环形通道内对流换热的研究相对来说比较少。 蒋常建等“9 1 采用实验方法对水平环形通道在半径比k = 3 3 3 ，高宽比 = 2 8 9 7 的情形下进行了实验研究，并给出了1 9 1 0 4 r a 1 5 9 6 x1 0 6 范围内 的换热关联式，然后对倾斜角度同心环形通道内自热对流换热进行了数值计算。 a b d u l 口叫对倾斜角度分别为0 0 ，3 0 0 ，4 5 。，6 0 。和9 0 。的环形空腔内的自然 对流换热进行了实验研究，并给出了不同角度下的经验关联式。但是由于其研究 的足口数范围比较小，因而与实际应用中的r a 数有较大差别，并且其水平和竖直放 置时的实验结果与其他研究者的结果均有较大偏差。 5 一一 第一章绪论 杨华等人幢门对不同倾斜角度下环形封闭空间内的自然对流换热进行了实验 研究。研究结果表明：当月口数相同时，n u 数随着直径比的增大而减小，而倾斜 角度对n u 数则几乎没有什么影响。文献首次提出了当环形夹层自然对流换热量 最小时的最佳间距，同时对不同倾斜角度，拟合出了下列统一的换热准则方程式： r a + 2 3 1 0 4 2 3 1 0 4 r a + 6 5 1 0 4 6 5 1 0 4 1 1 x 1 0 5 n u = o 0 7 0 r a 咀2 7 3 ( 1 一l k ) m 6 n u = o 2 2 6 r a m 脚( 1 一l k ) m 6 n u = o 0 0 4 r a 删4 ( 1 1 k ) m 6 n u = o 0 4 8 r a m 3 。8 ( 1 1 k ) m 6 ( 1 2 ) 王水生等人心圳对不同倾斜角度下的同心环形通道内的自然对流换热进行了 实验研究，并采用有限差分法，对环形空腔在水平和竖直放置时进行了数值模拟， 以验证实验结果。实验结果表明：当尺口数较小的时候，倾斜角度对n u 数的影响 较大；而当r a 数较大时，倾斜角度对n u 数的影响则非常小。文献还给出了半径 比k = 2 5 ，8 0 x1 0 4 r a 2 6 x1 0 7 范围内的环形通道在不同倾斜角度的换热关联 式： 表1 1 不同倾斜角度下的换热关联式 t a b l e l - 1c o r r e l a t i o n so fd i f f e r e n ti n c l i n a t i o na n g l e s 邱林业3 1 采用空气为介质，对四种l 日j 隙，五个倾斜角度下的环形封闭央层，进 行了自然对流换热的实验研究，实验中，为了消除两端轴向导热的影响，采用了 加热片进行热补偿的方法。文献经过实验研究，得出了以下结论： ( 1 ) 对换热特性，拟合出了与倾斜角度有关的经验关联式： 6 中国扛油人学( 华东) 硕i j 学位论义 n u = 0 3 4 2 ( r a c o s 0 ) o2 4 1 ( 1 一l a ) 3( 秒6 0 。) ( 1 3 ) 适用范围：10 3 r a + 0 6 的流体) ，同时，在实验的温度范围内空气的 几乎保持不变，其准则方程式可写为： n u 。= c r e 。” ( 2 9 ) 式中，m 表示定性温度f 。，t 。取实验段空气进、出口的平均值，f 。= ( f 。+ f 。) 2 ； c ，刀为待定常数，由实验确定。 实验时，对加热丝通电，加热试验管道，进而加热空气，在同一加热电压下， 通过改变流量，在稳定条件下测得相应的实验数据，可得相应的n u 。和尺g 。，在 同一加热量，可以拟合出一准则方程式。然后通过改变加热电压，同样可得出相 应的准则方程式，再对比分析。 2 3 实验测量参数 本文以空气在同心环形套管内强制对流换热为研究对象，其中外管内径为 5 0 m m ，内管外径分别为2 5 m m ，3 2 m m ，3 8 r a m ，通过改变加热电压和质量流量来观 察它们对换热性能的影响。本实验需要测量的参数有： ( 1 ) 实验段主流入口和出口温度：可通过在实验段进出口处各布置一支热电偶来 测量； 1 6 中固石油人学( 华东) 颀j j 学位论义 ( 2 ) 管壁各截面上的温度：通过管壁各截面上均匀布置的热电偶测温并取平均 值得到； ( 3 ) 加热管段的压降：在加热段的两端由测压引管连接一个微压计测得； ( 4 ) 电加热功率：尸= 【，调压器的输出端接电流表和电压表，通过它们的 读数可得到电流和电压值，从而得到功率； ( 5 ) 流量：将皮托管感压头部置于实验段气流中心位置，并连接斜管微压计， 测得全压与静压差办，由式( 2 2 ) 可算出流速，再乘以截面积便可得到体积流 量。 2 4 实验步骤 ( 1 ) 打丌稳压电源，将调压器调到较小的电压( 大约4 0 v ) ，对实验设备进行预 热1 小时，加热保温层。 ( 2 ) 充分加热保温层后，打开风机，同时将电压升高到i o o v ，将流量调到最低， 开始实验的测量。 ( 3 ) 大约过1 5 个小时后，该工况稳定后，启用温度测量程序，对各界面上的 温度以及实验段进出口温度进行测量，连续测量1 0 组，减少因热电偶热电势波 动产生的误差，同时读出毕托管以及进出口的微压计读数，并记下此时的电压表、 电流表读数。 ( 4 ) 保持加热电压不变，改变三通丌度，增加实验管道的空气流速，待稳定半 个小时后，重复上述测量。 ( 5 ) 改变电压，重复( 3 ) 、( 4 ) 的过程。 然后，依次更换内管，重复( 1 ) 至( 5 ) 过程，进行水平同心环形通道内的 强制对流换热实验，注意要保持内外管的同心。 1 7 第三章实验i 焚备和数据处理方法 第三章实验设备和数据处理方法 3 1 实验设备的选择 实验中需要直接测量的参数有：温度、压差、流量、电压、电流等，所需测 量仪器以及其它设备的选择如下： ( 1 ) 不锈钢管：本文实验段内外管均采用长4 米的薄壁不锈钢直圆管，具体材 质为1 c r l 8 n i 9 t i ，其中，外管规格为 5 1 x0 5m n l ，三根内管规格分别为 2 5 0 5 m m 、q b 3 2 0 5r n l t l 、 3 8 x 0 5r l l l n 。内外管均经过冷拔和抛光处理， 内管外表面的三个截面上分别焊接三个可弯曲的小铁条，以保持内外管的同心和 固定。 ( 2 ) 热电偶：本实验所有的热电偶均选用经过标定的铜一康铜热电偶，其直径为 矽0 1 5 m r n 。其中两副分别布置在实验段的出口处和外界空气中，用来测定实验 段出口空气温度和外界空气温度。另外，在外管外壁面沿长度方向1 5 个截面上 布置4 5 副热电偶用柬测量外管外壁温度。 ( 3 ) 斜管微压计：本实验选用上海红字电子设备厂生产的2 0 0 0 斜管微压计，其 量程为2 5 0 m m ，最小刻度l m m ，测量介质为酒精，乙醇净含量9 9 7 ，密度 0 7 8 9 0 7 9 1g m l 。实验管段进出口引出测压孔，测量实验管段的静压差和皮托 管的动静压差。采用酒精为测量液体，在使用倾斜式微压计时，应该通过调节脚 螺丝，使水平仪中的气泡在中问位置，以保证微压计的水平。在使用前，调到校 准位置，校准酒精柱是否在o 的位置，校准后再打到测量丌关测量。 ( 4 ) 风机：风机是为整个开循环的运转提供动力，风机布置在整个实验装置的 最后，所以整个实验管道工作在负压，负压可以保证实验的稳定性。为减少试验 装置的震动，本实验所选择的风机是一台大功率的吸尘器。 ( 5 ) 流量控制阀：本实验的流量是通过一个三通管来调节的。实验时通过遮住 三通管开口的大小来调节流量的大小。 ( 6 ) 电流表和电压表：通过对电压和电流的测量计算出实验段的电加热功率。 本文选用t 1 9 a 型交直流电流表，有两个量程，分别为5 a 、1 0 a ，采用t 5 1 型 多量程电压表( 量程分别为7 5 v 、1 5 0 3 0 0 v 、6 0 0 v ) 。 1 8 一一一一 中固石油人学( 华东) 硕i ：学位论义 ( 7 ) 稳压电源：采用启东科教仪器厂生产的z d y - 5 。1 型交流自动调压稳压电源。 ( 8 ) 调压器：采用上海电压调整器厂生产的t d g c 2 0 5 型接触调压器，额定容 量：2 k v a ，单相：5 0 h z ，输入：2 2 0 v ，输出：0 - 2 5 0 v 。实验时通过调压器来 调整热流密度的大小，它与交流稳压电源相连从而保证加热时热流密度的稳定 性。 ( 9 ) 保温材料：市场上供应的保温材料多为玻璃棉、岩棉以及硅酸铝保温材料， 本实验采用硅酸铝保温层，将其包裹在电加热丝外面，既可以减少热量的损失， 又可以起到绝缘的作用。保温层必须保证通过保温层散失的热量和总加热量相差 很小。 所需实验设备汇总如表3 1 所示： 表3 - 1 测量仪表及设备 t a b l e 3 - 1 m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t 1 9 第三帝实验改备和数据处理方法 数据采集板p s 0 1 0 g 型前端数据处理板北床中泰公司 和p c 6 3 6 0 d g 型a d 转化 器 流鼙计l 型皮托管流量计 交流电弧焊机焊接热电偶用 实验支架不锈钢可调支架 i , - t 算4 t 3 2 实验仪器的标定 为了确保测量设备的精确度以及整个实验装置能够安全可靠地运行，本实验 需要对铜一康铜热电偶以及毕托管等进行标定。 3 2 1 热电偶的标定 ( 1 ) 热电偶测温原理 将两种不同材质的金属导体( 如铜和康铜) 连接起来，如果两结点的温度不 同，由于会属的热电效应，在回路中就会产生一个与温差有关的电动势，称为温 差电势，温差电势的大小只与两个结点的温差有关，而与导线的长度、粗细和中 间温度无关。这样一对导线的组合就称热电偶温度计，简称热电偶n 2 1 。 实验表明，在一定温度范围，温差电势e 与两接点的温度t o ，t 存在着函数 关系e = f ( t o ，t ) ，如果令一个结点的温度t o = o ( 通常置于冰水中，叫冷端) ， 另一结点( 叫测量端) 插入被测物体中，n 沏, t l 得的回路中热电偶的总温差电势就 只与测量端的温度有关，即e = f ( t ) ，根据事先校验好的热电偶电势与温度变化 的关系曲线或对照表，便可推知被测物体的温度，这就是利用热电偶测温的原理。 ( 2 ) 热电偶的标定 铜康铜热电偶是非标准分度的热电偶中应用较多的一种，它在实验室和科 研领域中2 0 0 - - - 2 0 0 的测温范围应用十分广泛。 由于康铜丝的热电性能复现性较差，对于精密测量需对每一对热电偶分别进 行标定。一般不用内插式计算，而是用实验方法，用表格或t - e ( 或e t ) 特性 曲线形式表示。标定方法，一般采用：固定点法，即测量已知沸点或熔点温度 的标准物质在沸点或熔点时的温差电势值。标准热电偶法，将待标热电偶与标 2 0 中固石油人学( 华东) 硕上学位论义 准热电偶一起置于恒温介质中，逐点改变恒温介质的温度，待热电偶处于热平衡 状态下测出每一点的温差电势。 在本实验中，铜康铜热电偶用精度为0 0 5 的二级标准水银温度计在恒温 水浴内进行标定。铜康铜热电偶的标定值与分度表给定值之间的偏差小于0 5 铜一康铜热电偶标定曲线如图3 - 1 所示： 0 0 0 5 0 0 0 4 5 0 0 0 4 o 0 0 3 5 0 0 0 3 艺 办0