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天津大学学位论文 中文摘要 摘要 随着电子工业的迅速发展,电子元件的紧凑高效冷却已成为引起广泛关注 的研究课题。该领域中最为常见的模式之一即为夹于一系列平行散热平板间的 矩形通道中的自然对流冷却模式。本研究即针对该模式展开,主要从实验角度 对水平和自水平小角度倾斜的平行平板通道中的自然对流换热进行了研究。 全部实验以水作为介质。首先,采用染料喷射的方式跟踪显示通道中流体 的流动结构,沿流动方向对流动发展过程中的各个典型结构拍摄了照片。其次, 利用具有高度热敏感性的液晶薄膜对通道中加热下板的表面温度分布进行了可 视化,直观揭示出近壁处流体的流动形态与加热表面换热状况间的联系,并对 各种流动结构的形成与发展进行了分析。最后,采用热电偶测温技术测定和计 算了表面局部和平均对流换热系数,给出了相应的换热系数拟合方程,并结合 可视化与换热计算的结果对加热板上方盖扳的存在和倾斜角度的变化对自然对 流的影响进行了讨论。 研究表明,在水平平行平板通道中( 上板绝热、下板等热流密度加热) ,自 然对流具有如下形态:两股流体分别由两开放端进入通道并沿加热下板相向流 动,在通道中部横截面附近彼此冲突上升至上方盖板,然后各自反转沿上板反 向流出通道( 水平情况下流场关于通道中部横截面对称) 。其中,加热面附近的 流体流动依次呈现三种典型形态:层流态一流体仅在主要流动方向上紧贴加热 表面运动,而在其他方向上无运动趋势;过渡态一流动边界层自加热表面分离 并进步发展形成数列纵向旋涡的形态;紊流态一纵涡消散后出现的不稳定形 态。其中旋涡状结构的稳定性与通道的高h ( 上下板的间距) 直接相关,随通 道高度的降低而逐渐增强。加热表面的对流换热状况与其上方流体的流动形态 密切相关,并随通道高度的降低而显著减弱。 自水平小角度倾斜后,流体主要由水平位置较低的开放端进入通道,受热 后沿加热表面上升并由上端开口流出通道。流动不再关于中部截面对称,但仍 可依次划分为上述三种典型形态:层流态、过渡流态以及紊流态。倾斜通道后 加热表面对流换热状况明显好转。当通道高度h 较小时( 本实验中通道高度h 与加热板幅宽w 之比h w o 0 4 时) ,由水平倾斜1 0 。后的加热面平均对流换 热系数较水平时提高将近5 0 :但随着通道高度h 逐渐增大( 此处h w20 1 2 时) 由倾斜引起的换热促进作用已不明显甚至消失。 关键词水平,、角度倾斜,平行平板通道,可视化,自然对流换热 天津大学学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h e e l e c t r o n i c i n d u s t r y ,c o m p a c ta n de f f e c t i v e c o o l i n go fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t sh a sb e e ng i v e nc o n s i d e r a b l ea a e n t i o n ,o n eo ft h e m o s tc o m m o nc o n f i g u r a t i o n si nt h i sf i e l di st h en a t u r a lc o n v e c t i o ni n r e c t a n g u l a r c h a n n e l sf o r m e db e t w e e np a r a l l e lp l a t e sa n dw i t ht w oo p p o s i t ee n d so p e n i n gt ot h e a m b i e n t e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s o fs u c ha c o n f i g u r a t i o n c o n s i s t i n g o fa n u p w a r d - f a c i n gh o d z o n m lo rs l i g h t l y i n c l i n e dh e a t e dp l a t ea n dap a r a l l e li n s u l a t e d c o v e r p l a t e ,w e r ec a r r i e d o u t w a t e rw a st h et e s tf l u i d f l o wf i e l d sa n ds u r f a c et e m p e r a t u r e so ft h eh e a t e dp l a t e w e r ev i s u a l i z e d b yd y e a n d l i q u i dc r y s t a lt h e r m o m e t r ys h e e t s ,r e s p e c t i v e l y m e a s u r e m e n t so fl o c a la n da v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sw e r ea l s oc a r r i e do u t z h t e e p a r a m e t e r s ,h e a tf l u xq 。,c h a n n e lh e i g h th a n di n c l i n a t i o na n g l e 鼠w e r ev a r i e d s y s t e m a t i c a l l yd u r i n gt h ee x p e r i m e n t s o nt h eb a s i so f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ,t h e e f f e c to f s l i g h t l yi n c l i n a t i o no nn a t u r a lc o n v e c t i o nf l o wa n dh e a tt r a n s f e rh a sa l s ob e e n d i s c u s s e d t h e f o l l o w i n gr e s u l t sw e r e o b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t s : ( 1 ) t h eo p p o s i n gm a i nf l o w s ,t h ei n w a r df l o wo v e rt h eh e a t e dp l a t ea n dt h e o u t w a r df l o w ( a l s oc a l l e dr e t u r nf l o wh e r e ) b e n e a t ht h ec o v e rp l a t e ,e x i s ti nt h e h o r i z o n t a ls l o t t h r e es p e c i f i cr e g i o n so fs u r f a c et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s ,f o l l o w i n g t h et e r m i n o l o g yo ft h ew e l l - e s t a b l i s h e du n s h r o u d e dc a s e ,w e r ed i v i d e da sf o l l o w s :t h e l a m i n a rb o u n d a r yl a y e rr e g i o ni nt h ev i c i n i t yo ft h el e a d i n ge d g e ,t h et r a n s i t i o n a l r e g i o n c h a r a c t e r i z e db yt h el o w - t e m p e r a t u r es t r e a k yp a t t e r n s ,a n dt h et u r b u l e n t r e g i o n 谢t l lt i m e d e p e n d e n th i g h - t e m p e r a t u r es p o t s w i mc h a n n e lh e i g h thd e c r e a s e s t h e t u r b u l e n tt r a n s i t i o ni sr e t a r d e da n dt h et r a n s i t i o n a lc e l l u l a rc o n v e c t i o ni se n h a n c e d , a n da l s ot h es u r f a c et e m p e r a t u r e sm a r k e d l yi n c r e a s ea saw h o l e ( 2 ) i nt h es l i g h t l yi n c l i n e ds l o t , m a i nf l o we n t e r sf r o mt h el o w e re n d ,a s c e n d sa l o n g t h eh e a t e db o t t o mp l a t ea n dl e a v e st h es l o tf r o mt h eu p p e re n d d e p e n d i n go nt h e c h a n n e lh e i g h t ,d o w n w a r df l o w e n t e r i n gf r o m t h eu p p e re n d m a y a l s oa p p e a r s i m i l a r s u r f a c et e m p e r a t u r ep a t t e r n s ,t h el a m i n a rp a t t e r ni nt h ev i c i n i t yo ft h el e a d i n ge d g e a n dt h ed o w n s t r e a ms t r e a k yp a t t e r n s ,a l s oa p p e a ro v e rt h el o w e rp a r to ft h eh e a t e d s u r f a c e w h i l e ,n e a rt h eu p p e rt r a i l i n ge d g e l o w - t e m p e r a t m es p o t sg e n e r a t e db yt h e d o w n w a r df l o wa l s oe x i s t t h el a m i n a rb o u n d a r yl a y e rr e g i o n e l o n g a t e sa n d t h e t r a n s i t i o n a ll o w - t e m p e r a t u r es t r e a k yp a t t e r n sm o v ed o w n s t r e a ma f t e rs l i g h ti n c l i n a t i o n f r o mh o r i z o n t a l m o r e o v e r , t h es u r f a c et e m p e r a t u r e so ft h ei n c l i n e dh e a t e dp l a t ea r e l o w e ra saw h o l ei nc o m p a r i s o nw i t ht h a to f t h eh o r i z o n t a lp l a t e i i 天津大学学位论文 英文摘要 ( 3 ) t i l t i n g ah o r i z o n t a lc h a n n e lr e s u l t si nt h ee n h a n c e m e n to f t h en a t u r a lc o n v e c t i o n h e a tt r a n s f e r a n dt h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o o f t i c i e n t si n c r e a s e 砸t 1 1m ei n c l i n a t i o n a n g l ea s u c he n h a n c e m e n tb e c o m e sg r a d u a l l yo b s c u r ew h e nt h ec h a n n e lh e i g h th i n c r e a s e s h o w e v e r ,t h em o s tr e m a r k a b l ei n c r e a s ei nt h eh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n t si s o b t a i n e df o rt h es m a l l e s th e i g h th = 1 0 m m w i t h1 0 d e g r e e s i n c l i n a t i o nf r o m h o r i z o n t a l ,t h ea v e r a g en u s s e l tn u m b e r si n c r e a s ea b o u t5 0p e r e e n t k e y w o r d s :h o r i z o n t a l ,s l i g h ti n c l i n a t i o n ,p a r a l l e lp l a t ec h a n n e l ,v i s u a l i z a t i o n , n a t u r a lc o n v e c t i o n 1 1 1 天津大学硕士论文符号表 大写字母 a :加热板表面积 e :加热电流电压值 i :加热电流电流值 乃膜温度,r l + 己脚 l :加热表面温度 l :周围流体温度 肜加热板幅宽( 通道长度) 上:加热板长度( 通道宽度) h :通道高度 符号表 无量纲参数 g r :格拉晓夫数,蜀勃研力7 伊 g r + :修正格拉晓夫数,g 励。w a v 肌。:平均努谢尔特数, ,w a m 。:局部努谢尔特数,厅蛳 r a :瑞利数,g r p r r a 。+ :修正瑞利数,g r * p r r 口。 :局部修正瑞利数,g ,。+ p , 小写字母下标 g :重力加速度,:膜 h 。:平均对流换热系数 m :平均 厅,:局部对流换热系数w :以板幅宽为特征尺寸的 q 。:热流密度 :周围的 x :在流动方向上距离平板边沿的距离 希腊字母 口:容积膨胀系数 丑:导热系数 v :运动粘度 0 :自水平的倾角 p :流体密度 天津大学硕士论文 第一章绪论 i i 引言 第一章绪论 当一块朝上放置的表面被加热后,其上方的流体会产生自然对流的现象。 这主要是由于加热面附近的流体受热后密度发生变化,与周围流体之间形成密 度差,从而引起了流体的自然对流运动。 这种现象广泛存在于工业生产与我们的日常生活中各个领域。大至气象学 的规模,当地球表面接受太阳照射后,大气就会产生自然对流运动,形成附着 于地表与地面平行的气流或从地表分离上升的其他不稳定的气体流动,进而形 成影响我们日常生活的各种气候现象。小至各种电子元器件。例如计算机中的 排列的各种电子板。计算机工作时,其内部的电子元件大量耗能导致自身温度 不断升高,也会引发周围空气的自然对流现象,并借助这种自然对流换热方式 将产生的热量释放给周围空间,以降低元件自身温度。 以上只是自然对流现象的两个简单的例子。实际上,自然对流是一种普遍 存在的自然现象。由于它与生产和生活有着密切联系,人们对它早己产生了浓 厚兴趣,并在不断的进行研究。其中,平板附近的自然对流是主要的研究方向 之一。目前对于竖直平板附近自然对流的研究已比较完善,而对于朝上放置的 水平平板上方的自然对流的研究还比较缺乏。这主要是由于水平平板上方的自 然对流现象呈现较为复杂的三维性,不仅使得进行解析研究相当困难,而且也 增大了实验研究的困难性,给实验现象的观测以及实验数据的测量和整理带来 较大难度。此外,在工业生产与日常生活中我们还常常遇到由水平加热平板上 方的自然对流为基础衍生出的更为复杂的问题,如加热板上方存在与其平行的 平板或将加热板自水平小角度倾斜后形成的新体系中的自然对流,针对这方面 的研究就更为缺乏了。 1 2 研究的必要性 今天的时代是电子工业和能源工业飞速发展的时代。随着电予工业的发展, 大规模、超大规模集成电路不断更新换代,电子元件耗能的数量级也在不断聚 增。由于电子元件耗散的能源将转化为热能,而元件自身温度的升高又往往会 导致其工作效率降低甚至不能正常运行,因此如何将产生的热量尽快释放出去 以确保电子元件高效地运行,已成为迫待研究解决的实际问题。在该领域中, 自然对流换热方式以其在紧凑性和经济性方面的优势,受到越来越广泛的关注。 我们知道,应用中电子元件常常是成行或成列的平行布置,而且为了节省 空间还通常布置得较密,例如计算机中的p c b 列就是一个典型。平行布置的平 天津大学硕士论文 第一章绪论 板间的自然对流与单一平板上方的自然对流有何不同,上方平行盖板将如何影 响自然对流;或者,如果将按常规布置的水平平行平板体系以较小角度略微倾 斜,体系中的自然对流流动结构和换热状况又会如何,会不会对换热有所促进, 这些都是有待进一步研究的问题。 由上述可见,与水平平板相关连的自然对流现象与我们的生产和生活有着 密切的联系,对其进行研究是十分必要的,不仅有利于传热学知识领域的阔展, 也将对工程实践产生明确的指导意义。 1 3 研究背景及现状 朝上放置的平板被加热后,其上方的流体会产生自然对流的现象。近年来, 人们对于此种方式引发的自然对流流动结构和传热机理,进行了广泛而深入的 研究。 1 9 5 7 年,f i s h e n d e n 和s a u n d e r s 测定了空气中水平布置的加热平板表面 的平均换热系数,并首次将实验结果归纳成了: n u2 c r a e ( 1 1 ) 的形式。其中,经验参数c 和r 1 分别定义为:层流域c - - o 5 4 ,n = l 4 ;紊流域 c = 0 1 4 ,n = l 3 。此后,虽又有大量研究针对不同尺寸的水平或倾斜加热平板展 开,并依据上式的形式各自归纳出了不同的经验参数c 和一,但大都局限于对 加热表面平均传热率的测定,按加热表面r a 数的大小将流动简单地划分成层流 和紊流两部分,而对加热板上方的流动形态并未进行探讨。 1 9 6 8 年,s p a m 、v 和h u s a r 2 1 【”首先针对水平和倾斜的加热平板上方的自然对 流流动结构进行了可视化研究。实验以水为介质,利用电化学技术实现流场的 可视化。平板被置于水中,在保持表面温度均匀的情况下进行加热。实验发现, 加热板上方存在沿加热板宽度方向排列的纵向旋涡状流动结构,并对平板上方 流体流动的不稳定性进行了探讨,指出该纵涡结构是表面上方流动由层流向紊 流过渡过程的第一阶段。 此后,r o t e m 和c l a a s s e n ! ”以空气为介质,利用半聚焦s c h l i e r e n 装置对水平 加热板附近的流动结构进行了可视化研究,指出层流边界层仅存在于加热板入 口边沿处,随后逐步发展成为不规则的结构。 1 9 7 3 年,p e r a 和g a b h a r t t 【6 】利用m a c h z e n d e r 干涉测量仪,在空气中对水平 和小角度倾斜加热表面的自然对流边界层进行了实验和解析研究。该研究给出 了加热表面层流边界层部分的温度分布和局部对流换热系数,指出当g r , ”大于 8 0 时层流边界层便会出现分离现象。该研究也从稳定性理论上对附着边界层现 象进行了分析,但理论分析与实验观测的对比并不理想。 几乎同时,日本的f u j i i 和i m u r a p ! 利用热电偶测温的方式,在水中对任意倾 斜角度的加热平板进行了表面平均对流换热系数的测定,并给出了如下形式的 经验关联式: 2 - 天津大学硕士论文 第一章绪论 n u 2 0 1 6r a ”3 ( 7 x 1 0 6 r a 2 x 1 0 8 ) ( 1 2 ) n u = o 1 3 r a l o ( 5 1 0 。 r a 6 x 1 0 1 。) ( 1 3 ) 1 9 8 8 年,加拿大的c h e n g 和k i m ”利用空气为介质,采用烟雾喷射可视化技 术,对水平和小角度倾斜等温加热平板上方的自然对流旋涡结构的稳定性进行 了研究。他们提出可将流动发展划分为三个特征阶段,即流动起始部分的层流 阶段,以纵向旋涡形成和发展为标志的过渡流阶段以及纵涡瓦解后的紊流阶段。 1 9 9 5 年,日本的k i t a m u r a 和k i m u r a 【9 j 对水平加热平板上方的自然对流流动 结构及传热机制进行了较为详尽的实验研究。实验在水中展开,分为可视化和 传热率测定两个部分。平板采用等热流方式加热。实验中利用染料喷射技术和 感温液晶薄膜分别对加热面上方的流体流动和加热表面温度分布进行了可视 化。根据可视化的结果,初步将水平加热面上方的自然对流,沿流动的发展方 向划分为以下四个区域:( i ) 层流边界层区域,( i d 条纹状结构的过渡流区域,( n o 紊流区域,( i v ) 冲突区域。并利用热电偶测温技术,给出了表面局部和平均对 流换热率分布曲线,按以上四个区域将其归纳整理成如下关联式: 区域in u = 1 2 5 r a * “( 1 6 x 1 0 3 r 口 1 6 1 0 5( 1 4 ) 区域n u = 0 0 4 r a * 1 0 + 9 7( 1 6 1 0 7 r a * s x l 0 1 )( 1 5 ) 区域i i i n u = r a * u s 1 3 5 ( 8 x 1 0 。 r 口+ 1 3 x 1 0 1 2 )( 1 6 ) 区域i vn u = 0 2 0 r a * 埘+ 3 7( i 3 x 1 0 ” 尬+ 1 6 1 0 ”)( i 7 ) 以上是关于朝上放置的单一加热板上方自然对流的研究状况。实际上,无 论在工业生产还是日常生活中,我们常常遇到的自然对流换热问题并不是这样 简单的情况,经常会由于实际需要在加热面附近布置其他表面,形成更为复杂 的换热体系。例如,在加热面上方一定距离处出现与其平行设置的平板等等。 其他表面的存在对加热面上方自然对流的流动结构与换热状况会有何影响,这 也逐渐成为自然对流换热领域引起广泛关注的课题。 1 9 8 6 年,s p a r r o w 和c a r l s o n i 埘在水平朝上放置的加热板上方设置平行盏板, 形成水平的矩形通道,并针对该通道中的自然对流换热体系进行了实验研究。 实验介质为空气,加热表面维持等热流条件,选择了一系列平板问距( 通道高度) h 值。该研究的主要结论如下:( 1 ) 局部m 数( 定义为虬一以阡溉,嗍加热板板幅) 在加热板边沿处达最大值,随流动向平板中部发展而逐渐下降,在平板中心达 最小值,( 2 ) 局部和平均m 数随平行平板间距增大而增大,( 3 ) 给出了一个临界 胁值,当平板间距脚超过该值时平均胁数将独立于凰即上方盖板存在与否将 不再影响自然对流换热结果。该研究主要进行了换热率的测定,而对流动结构 和换热机理的分析和研究不够充分。 1 9 9 7 年,k i t a m u r a 和a s a k a w a ! “】同样针对水平平行平板间的自然对流体系 展开了实验研究。水作为介质,平板采用等热流加热。实验包括可视化与传热 率测定两个部分,并对平板间距对换热的影响进行了讨论。 - 3 - 天津大学硕士论文 第一章绪论 1 4 本文的主要任务 以上是对近年来加热平板上方自然对流研究状况的概括性介绍。不难看出, 与单一加热板情况相比,平行平板通道中自然对流的研究还比较有限,尤其是 对通道体系自水平小角度倾斜后其流动结构和换热状况的研究更为有限。本研 究正是基于此点引出的。 本研究是针对水平和小角度倾斜平行平板通道体系展开的、以实验为主的 研究。实验以水作为介质,主要包括以下三个部分: 1 加热面上方流动结构可视化。采用染料喷射的方式对通道中流体的流动 结构进行了可视化研究,以染料跟踪显示流体流动,沿流动方向对流动 发展过程中的各个典型结构拍摄了照片。 2 加热表面温度分布可视化。利用具有高度热敏感性的液晶薄膜对通道加 热下板的表面温度分布进行可视化,通过可视出的表面温度分布直观揭 示出近壁处流体的流动形态与加热表面换热状况间的联系,并结合通道 中流体流动与加热表面温度分布可视化的结果分析了各种流动结构的形 成与发展。 3 加热表面局部和平均对流换热系数的测定。采用热电偶测温技术沿流动 方向测定加热表面各点的温度,计算了表面局部和平均对流换热系数, 并对实验曲线进行拟合,给出了相应的换热系数拟合公式,最终结合可 视化与换热计算的结果对加热板上方盖板的存在和倾斜角度的变化对自 然对流的影响进行了讨论。 天津大学硕士论文 第= 章实验装置和实验过程 第二章实验装置和实验过程 2 1 实验装置简介 本实验是在日本丰桥技术科学大学北村研究室完成的。 实验采用2 0 0 c 的常温水作为介质。实验体系主要是由朝上放置的加热平板 和其上方平行设置的相同尺寸的绝热盖板组成的。 实验装置的简要结构可见图2 1 。 加热平板长l 为6 0 0 毫米,幅宽w 为2 5 0 毫米,是由0 0 3 毫米厚的不锈钢薄板、 1 5 毫米厚的聚丙烯树脂板和2 0 毫米厚的泡沫聚苯乙烯层组合而成的。不锈钢薄 板被切割成五枚相同尺寸的细长条,彼此间隔1 毫米并排贴在聚丙烯树脂板的上 表面上。相临的两条不锈钢首尾用铜片焊接在一起,平板边沿的两条则分别与 直流电源的正负极相连。当电源接通后,这组不锈钢条首尾相接形成一条串联 电路,从而实现对平板的等热流加热。聚丙烯树脂板的下表面贴有泡沫聚苯乙 烯层,以防止加入热量从板的下表面散失。上方的平行盖板是由两层3 毫米厚的 玻璃板复合而成,在两板间留有5 毫米的空隙,两板四周用胶粘合,一定量的空 气被密封在其中。由于空气的传热率远低于水的传热率,这样做既保证了盖板 的透光性,也保证了其绝热性。两条长方形聚丙烯树脂垫块分别置于加热板两 边沿,用以支撑盖板。实验中为了调整两平行平板间距,分别加工制作了四组 高为1 0 、1 5 、2 0 和3 0 毫米的垫块。 以上的平行平板体系,用聚丙烯树脂材料制成的底座支撑,架于一水平底 板上。该底板的四角穿孔,安装有四个调节螺钉。通过调整该螺钉可以将加热 面置于不同的倾斜角度。实验装置被安放在一个7 5 0 x 7 5 0 x 7 5 0 立方毫米的聚丙烯 树脂材料制成的全透明的水槽底部。 实验包括三个彼此独立的部分。第一部分是平行平板间流体流动结构的可 视化,第二部分是加热表面温度分布的可视化,第三部分是表面局部对流换热 系数的测定。针对不同的实验目的,在上述实验装置的基础上,又分别采用了 不同的辅助设备,以下将按这三个部分对实验方法和实验过程进行详细描述。 2 2 流动可视化 流动的可视化是利用染料喷射技术实现的。此处使用的染料是染色剂 u r a n i n e ( c :。塌。0 讪k ) 。将该染色剂以一定比例与水混合,形成黄绿色的染料 溶液,用其跟踪显示流体的流动。 为将染料溶液适量而均匀地注入流场中,专门设计制作了一个染料释放装 置,该装置简图见图2 2 。( 为表示得更加清晰,图中仅保留了加热表面,而未示 5 - 墨堡查堂堡主堡塞 苎三童壅壁茎里塑壅竺塾垦 75 75o 加热表面绝热盖板垫块底板 图2 1 实验装置倚图 - 6 天津大学硕士论文 第二章实验装置和实验过程 出加热面上的垫块和盖板1 其主要由染料存储器、染料输送管和染料释放盒三个部分组成。将一列医 用注射器并排固定在一起作为存储器。释放盒是一个扁长形的方匣,由很薄的 几枚树脂板组合而成,仅在一侧留出一个宽约l 毫米的狭长的裂缝,以供染料流 出,其他侧面均以胶粘合密封。释放盒的前表面上钻有数个直径为l 毫米的小孔, 水平排列成一排。染料输送管为几条长约两米的塑料细管,将其一端与注射器 相连,另一端插入释放盒前表面上的小孔中,以连接染料存储器与释放盒。 为保证实验时平行平板问整个流场( 从加热板边沿直至加热板中部) 都可 以清晰得实现可视化,在加热板上距离板前边沿5 0 毫米处挖出了一条与前边沿 平行的,长3 0 0 毫米、宽2 毫米的狭缝。流场中共安放了两个染料释放盒,一个 紧贴加热板前边沿固定,留有狭缝的侧面朝上并严格保持该侧面与加热面处于 同一水平面上,以确保释放出的染料能够自然顺畅的进入流场而不受任何阻碍; 另一个释放盒被固定在加热板上开缝处的正下方,其狭缝直接与加热板上的开 缝相通。这样,染料便可从加热板前沿和中部同时注入流场,有利于清晰地可 视化整个流场。 实验时先通电对不锈钢薄板进行加热,充分加热一段时间使流场基本达到 7 天津大学硕士论文 第二章实验装置和实验过程 定常状态后,向存储器中注入染料溶液。该溶液由存储器流经输送管后进入释 放盒,呈股状的染料流在释放盒中充分混合后,形成层状从狭缝中流出,注入 流场。各个注射器中的液面高度始终保持一致,并注意使注射器中的液面高度 与水槽中的水面高度差控制在尽量小的范围内。这主要是为了尽量降低染料流 入流场时的初速度,使其尽可能缓慢而均匀地流入流场,从而更准确地跟踪和 显示流体的流动。 出于拍摄照片的需要,实验进行时室中保持黑暗。利用高集聚性的面状激 光照亮流场。将激光面沿与流动垂直的方向投射入流场。实验中,依次从加热 面的前边沿开始逐渐向后边沿移动激光,这样便将各个与流动方向垂直的横截 面上的流动结构逐一显示出来。选择其中特征性的流动结构拍摄照片,并将其 按顺序排列,便可清晰地记录出整个流动的发展过程了。 2 3 加热表面温度分布可视化 加热表面温度分布可视化的目的在于,通过加热表面温度分布的形态直观 反映出加热面附近流体的流动与换热状况的对应关系,以加深对换热机理的研 究和理解。 温度分布的可视化是利用热敏感性的液晶薄膜实现的。将一张液晶薄膜紧 密地贴于加热板表面,薄膜边沿处涂上防水凝胶,以防止水渗入薄膜和加热面 间。由于该液晶薄膜厚度仅为o 3 毫米,其对流动和传热的影响可以忽略。这种 液晶对温度较为敏感,受热后颜色会随自身温度的变化而变化。此处使用的液 晶,感温范围为2 7 3 5 0 c 。在该范围内,按温度由低到高依次里现暗红色、红色、 橘黄色、绿色、蓝绿色和蓝色。温度最高时呈明亮的蓝色,温度最低时里暗红 色。因为实验表面是等热流加热,由牛顿换热定律可知,加热表面的温度分布 与表面对流换热系数的分布直接对应。由此即可判断,暗红色的区域温度较低, 其换热系数相应较高:亮蓝色区域温度较高,则其换热系数相应较低。 由于液晶对温度比较敏感,为保证不同实验条件下实验现象间的可比性, 实验时水槽中水的温度严格控制在2 0 i - o 5 0 c , 实验进行时,首先通电加热一定时间,当液晶表面的颜色和形态分布基本 趋于稳定时,从水槽上部透过玻璃盖板对液晶进行拍照。 2 4 局部对流换热系数的测定 测定换热率的实验装置与可视化时使用的略有不同,主要是在不锈钢薄板 的背面增加了测温热电偶,用以测量加热表面温度。实验中使用的是直径为i o o 微米的铬铝热电偶。二十八对热电偶以一定间隔沿流体流动方向,在加热板纵 向中心线上布置成一列,并关于横向中心线对称。这些热电偶的热探头采用点 - 8 - 天津大学硕士论文 第二章实验装置和实验过程 焊的方式焊至不锈钢加热薄板的背面,另一端则与一个半自动的画笔式温度计 录器连接,其精度为o 1 。c 。该记录器读取热电偶的电信号,并将其以温度波 形的方式输出,波形的平均值即可作为各测点的温度读数z 0 。水槽中的水温圪 也用热电偶测量,该热电偶的探头置于水中,与加热表面保持在同水平面上 并尽量远离加热表面。 h 、 篓 、 每 k n ,i 台 誉 1 、 ,t 以 、,t 以、 、, 】 号码r r m m 、 。 1 & 1 5 0 2 & 2 1 0 n 1 & 3 1 5 0 4 & 42 3 0 s & s 1 2 n 6 6 4 2 0 7 & 7 5 3 n r & r 6 4 0 q q7 2 0 1 0 1 n r 3 n 1 1 1 l 9 3 0 1 2 1 2“惶n 1 3 1 31 1 1n 1 4 & 1 4 1 ln f z 为热电偶距起始边沿的距离、n = 1 4 ) 圈2 3 加热表面热电儡分布位置 实验开始后,先接通直流电源加热不锈钢薄板。加热一定时间后,对加热 表面上各点的温度反复进行观测,当温度变化在0 1 0 c 时,即可认为加热已达 定常状态,这时便可开始读取各个测点的表面温度z 0 了。同时,加入的直流电 电压e 和电流强度,分别通过电压表和电流表记录下来,再计算出加热面的 表面积4 ,便可求出加入的总热量: - 9 - 天津大学硕士论文 第二章实验装置和实验过程 e i g m2 了 ( 2 1 ) 加入的热量中,会有一部分损失到周围空间中,包括从加热表面辐射散失 的热量和从加热板下表面传导出去的热量。经过估算可知,该部分热量损失与 总加入热量相比不足4 ,故可以忽略不计,认为aq 。至此,局部的对流换 热系数h ,n - j 按下式进行计算: 峥若芴 ( 2 2 ) 此处,需作一点说明。本实验是在加热板纵向中心线上,沿流动发展方向 依次测定距入口边沿距离为x 处的各点的温度l 。的。为直接而综合地反映加热 表面沿流动主要发展方向上的换热状况的发展和变化,此处将l 。定义为距入1 :3 边沿距离为x 处的加热表面横向平均温度。根据可视化的结果,我们发现水平和 自水平小角度倾斜的加热平板上方的自然对流呈现复杂的三维性,流体在流动 主要发展方向和与其向垂直的方向上,均在不断的发展变化,这就导致加热表 面的温度也同时在这两个方向上出现剧烈的变化。表面温度可视化的结果显示, 表面温度横向变化最剧烈的区域主要集中在距入口边沿不远处的条纹带状区 域。该条纹结构间隔很密,不仅使得在横向上增布热电偶的技术难度很大,而 且依靠热电偶捕提这样密集的温度变化也是不太可能的。但可视化的结果同时 显示了一个有趣的现象,就是即便保持相同的实验条件反复通断电加热几次, 尽管温度分布的整体形态不变,该形态却会在横向上发生漂移,往复摆动。这 就启发了我们如下的思路:实验进行时,在一组实验条件下,反复通电断电再 加热,重复该实验过程达十次以上,并以这十次测量结果的平均值作为各个x 处 的横向平均壁温l 。如此,虽大大加大了实验工作量,却也使得实验对于局部 换热系数的测定更具普遍性和说服力。 - 1 0 天津大学硕士论文 第三章流动与温度可视化研究 第三章流动与温度可视化研究 为了准确而清晰地描述平行平板通道中自然对流的流动结构和传热机理, 对通道中流体的流动和加热板表面的温度分布进行可视化研究是非常必要的手 段。它将加热表面上方的流动结构与加热表面的换热状况直观地联系起来,为 我们对换热机理的进一步研究和理解提供了基础。 首先,利用染料喷射的方式对通道中流体的流动结构进行了可视化研究, 以染料跟踪显示流体流动,沿流动方向对流动发展过程中的各个典型结构拍摄 了照片。其次,利用具有高度热敏感性的液晶薄膜对通道加热下板的表面温度 分布进行了可视化,以揭示近壁处流体的流动形态与加热表面换热状况间的联 系。拍摄照片时,加热热流密度g f 2 ,5 0 0 w m 2 ,周围水温咒- 2 0 0 c 。 对一块朝上放置的水平平板进行加热,其周围的流体会由于密度和压力分 布的不均衡而引发自然对流的现象。如果该平板上方存在另一块与之平行的平 板。形成一个有前后两个开放端口的矩形通道,在这样一个矩形通道中的自然 对流会是什麽形态昵? 我们不难设想流动主体将呈以下状态:两股流体分别由 前后两个开放端进入通道,沿加热面向通道中部相向流动,在通道中部冲突后 上升至上板,然后各自反转,贴上板向开放端反向流动,最终流出通道。直观 地讲就是在靠近加热板的通道下半部中为进入通道的两股流体相向流动,而在 靠近盏板的上半部中为流出通道的两股流体反向流动。从通道的纵截面上看, 类似两个躺倒的u 字型相向设置,如下图: 、 ,r 一。 ) = l ,w】 圈3 1 水平嗣【道内滚动结构示意圈 以上是对主要流动方向上流动情况的概述。实际上通过实验我们发现,水 平平板上方的自然对流具有复杂的三维性,流体不仅沿主流方向发展变化,而 且在与主流垂直的方向上也发展形成叠加于主流之上的特有的辅助流动结构, :l 天津大学硕士论文 第三章流动与温度可视化研究 也可称其为二次流动结构。作为水平平板上方自然对流的特征现象,二次流动 结构在流场描述中具有十分重要的意义,流场可视化的主体便是捕捉二次流动 的发展变化。 图3 2 3 5 为记述流动发展过程的照片,其中通道高度日依次为1 0 ,1 5 ,2 0 和3 0 毫米。照片是在距流动起始边沿不同距离x 处截取与主流垂直的截面拍摄 的,这里x 分别为1 0 ,4 0 和9 0 毫米,是按照流动发展过程中典型结构的出现 位置来选取的。由于水平通道内流动的对称性,仅在由起始边沿( 沪0 ) 至通道 中截面( x = w 2 = 1 2 5 m m ) 的半个板幅上的通道空间中进行了可视化。需要说明 一下,这些照片中明亮的黄绿色线条,就是被激光照亮的染料溶液,由其跟踪 可视出了通道中流体的流动结构。 首先看图3 2 ,通道高度王降1 0 毫米的情况。图( a ) ,在沪1 0 毫米处,我们 可以看到加热板附近有一条紧贴加热板的亮线,而靠近上方盖板附近则有一些 不规则的线条。由以上对流动结构的分析可知,加热表面附近亮线示出的层状 结构代表刚刚流入通道的流体在紧贴加热表面运动;而盖板附近的不规则结构 则代表着流出通道的流体。由图可以明显地判断,进入通道的流体最初是以层 流方式运动的,即流体在与主流垂直的方向上是均匀一致的:而流出通道的流 体则显得紊乱复杂,基本无规律性可言。此处需要指出一点,在一个截面上同 时观测到流入和流出两种流动结构是水平体系区别于倾斜体系的一个显著特 征。随着流动沿主流方向向通道纵深推移,见图3 2 ( b ) 、x - - - 4 0 毫米处,染料层 逐步分裂并聚集成一股一股的分支,逐渐脱离加热表面上升。这些分支在横向 上基本呈等间距分布。这张照片显示流动边界层已从加热表面分离,标志着流 动由层流区域发展进入了过渡流区域。图3 - 2 ( c ) 为x = 9 0 毫米处的截面,上升后 的每一个染料分支均进一步分裂成两股,并按螺旋运动方式一边前进一边各自 反转重新朝向加热表面运动,形成两列纵向旋涡,该对旋涡彼此反向旋转。许 多列这样的纵涡在横向上摊开,就形成了照片所示的非常规则的结构。此后, 随流动向通道纵深继续发展,旋涡状的结构会逐渐解消,并被一种不规则的结 构取而代之。最终,由前后端口分别进入通道的两股流体在通道中部冲突并上 升至上方盖板,各自反转沿盖板流出通道。由于通道上部反向流出通道的流体 流动结构比较复杂,而且缺乏规律性,所以这里未将其列入研究范围。 以上阐述的是通道高度上芦1 0 毫米时的流动发展过程。实验显示,与其类 似的流动结构同样存在于通道高度侍= 1 5 ,2 0 和3 0 毫米时的情况,但通道高度 的增加对通道中自然对流的流动结构会有一定影响。看图3 3 3 5 的( a ) 图和( b ) 图,流体在x = l o 毫米处的层流形态和a - - - 4 0 毫米处的边界层分离现象与前述基 本类似;再看3 3 和3 4 的( c ) 图,当通道高度日增至1 5 毫米和2 0 毫米时,在x = 9 0 毫米处的流动形态发生了明显变化。纵向的旋涡结构虽然仍可以隐约辨认,但 已明显丧失了稳定性和规律性。而当日增大到3 0 毫米时,如图3 5 ( c ) 所示,x = 9 0 毫米处的截面上的流动呈现彻底的紊乱状,与前相比已无任何规律性可言。 3 1 2 表面温度分布可视化 为进一步揭示通道中的流体流动与加热表面换热状况间的关系,紧接着进 行了加热表面温度分布可视化实验。将一张感温的液晶薄膜紧密贴于加热表面, 由于其具有颜色随温度变化的特性,便可将加热表面温度分布的形态通过不同 的色彩鲜明地反映出来。图3 6 3 9 为温度可视化的照片,通道高度依次为1 0 、 1 2 天津大学硕士论文 第三章流动与温度可视化研究 1 5 、2 0 和3 0 毫米。照片中,暗红色的区域温度较低,蓝色的区域温度较高。 由于加热是在等热流密度下进行的,所以表面温度的高低直接反映出表面对流 换热系数的高低。所有的照片均在相同的表面热流密度和相同的环境水温下进 行拍摄,以确保照片间的可比性。 纵观3 6 - 3 9 四张照片,可以发现虽然随通道高度不同颜色的深浅有所变化, 但整体看来,温度分布沿主流发展方向( 由加热板边沿至加热板中部) 均依次 包含了以下四种典型形态:( 1 ) 位于加热板边沿附近、温度仅沿加热板纵向变 化,横向上均匀一致的形态,( 2 ) 其下游暗红色温度较低的、近乎等间隔分布 的条纹

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