（热能工程专业论文）圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 摘要 本文采用热质比拟原理和萘升华技术，在2 4 6 州s _ - 2 2 8 6 m s 的风速范围内， 对平动与转动时圆盘周面对流换热规律进行分析研究。 在综述圆盘( 或旋转圆盘) 及对流换热研究内容的基础上，分析了国内外对 圆盘表面研究的进展以及开展本课题研究的目的和意义，给出了本文的主要研究 内容和可能的研究成果。 根据风洞实验设计主要内容及萘升华实验要求，给出了风洞试验台、试验元 件设计、测量仪器的选择和使用方法等内容。在此基础上，得出了光滑周面对流 换热萘升华实验的基本参数表、萘升华量表和空气状态参数表。 通过对光滑周面实验结果做无因次化处理，得到了局部努赛尔数与局部雷诺数 的关系式。进而分析了对转动过程以及平动与转动耦合过程中的圆盘光滑周面对流 换热情况，得到了圆盘光滑周面对流换热特性与风速的关系。厚圆盘局部努塞尔数 的值均小于厚度为2 0 m m 圆盘光滑周面的值，且随着圆盘转速的增加，圆盘厚度对 对流换热的影响亦有减小的趋势。 另外，对非光滑周面结构进行了萘升华比拟研究，得到了纵向周面、横向周 面和块状周面的局部努赛尔数与局部雷诺数的关系式，作者研究了转动过程、平 动与转动耦合过程中圆盘周面对流换热特性，并分析了风速对圆盘周面对流换热 的影响。 在实验雷诺数范围内，随着圆盘转速的增加，其周向表面结构的变化对对流 换热的影响越来越小。平动与转动耦合过程中，随着速度的增加，光滑表面、纵 向表面、横向表面、块状表面的对流换热系数依次减小，且各个离散点相应对流 换热系数的差值基本一致。无论有无风速的影响，光滑表面结构对流换热系数始 终为最大，块状表面结构对流换热系数最小，而纵向表面结构和横向表面结构因 为风速的影响，其换热效果也有明显不同。 关键词：圆盘周面热质比拟萘升华技术对流换热系数 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 a n a l o g y o nc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r o ft h ec i r c u m f e r e n c es i f ac eo ft h e d i s ki nt ra n s l a t i o na n dr o 丑气t i o n a b s t r a c t w i n lt h et h e r m a l t r a n s f e ra n a l o g yp r i n c i p l ea n dn a p h t h a l e n es u b l i m a t i o n t e c h n o l o g y , t h i st h e s i sc o n d u c t e dar e s e a r c ho nt h ep e r i p h e r a ls u r f a c eh e a tt r a n s f e rl a w o fd i s kw h e nt h ew i n ds p e e dr a n g e sf r o m2 4 6 m st o2 2 8 6 m sd u r i n gd i s kt r a n s l a t i o n a n dr o t a t i o n a f t e r r e v i e w i n gt h er e s e a r c h e sc o n c e r n i n gd i s k ( o rr o t a t i n gd i s k ) a n dt h e c o n v e c t i o nl l e a tt r a n s f e r , t h ea u t h o ro ft h ep r e s e n tt h e s i sa n a l y z e sd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l p r o g r e s so nt h ed i s ks u r f a c er e s e a r c h e s ，p o i n t so u tt h ep u r p o s ea n d s i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c ha n dp r e s e n t st h em a i nc o n t e n t sa n dp o s s i b l er e s u l t so ft h e t h e s i s b a s e do nt h em a i nc o n t e n to f w i n dt u n n e lt e s td e s i g na n dn a p h t h a l e n es u b l i m a t i o n r e q u i r e m e n t s ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt h es e l e c t i o na n di n s t r u c t i o n sf o ru s eo fw i n d t u n n e l ，t e s tc o m p o n e n t sd e s i g na n dm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa n ds oo n m o r e o v e r , t h e t a b l e so fb a s i cp a r a m e t e r s ，t h ea m o u n to fn a p h t h a l e n es u b l i m a t i o na n da i rc o n d i t i o n p a r a m e t e ra r ep r e s e n t e di nt h es m o o t hp e r i p h e r a ls u r f a c eh e a tt r a n s f e r sn a p h t h a l e n e s u b l i m a t i o ne x p e r i m e n t s t h r o u g ht h ed i m e n s i o n l e s st r e a t m e n tf o r t h es m o o t hc i r c u m f e r e n c es u r f a c e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el o c a ln u s s e l tn u m b e ra n dt h el o c a l r e y n o l d sn u m b e ri so b t a i n e d b yt h ea n a l y s i so fs m o o t hp e r i p h e r a ls u r f a c eh e a t t r a n s f e ro fd i s kd u r i n gt h ep r o c e s s e so fr o t a t i n g , a n dt h ep r o c e s s e so ft r a n s l a t i o na n d r o t a t i o n a lc o u p l i n g , w ec a ng e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r o p e r t i e so fs m o o t h p e r i p h e r a ls u r f a c eh e a tt r a n s f e ra n dw i n ds p e e d n el o c a ln u s s e l tn u m b e r so fm i c k d i s ka r ew i t h o u te x c e p t i o nl e s st h a nt h o s eo fs m o o t hp e r i p h e r a ls u r f a c eo fd i s kw i l 2 0 m mi nt h i c k n e s s f u r t h e r m o r e , a st h es p e e do fd i s ki n c r e a s e s t h et h i c k n e s so fd i s k t e n d st oe x e r tas m a l l e ri n f l u e n c eo nt h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r t 1 1 e t h e s i s a l s oc o n d u c t san a p h t h a l e n es u b l i m a t i o na n a l o g yo nn o n s m o o t h s u r f a c es t r u c t u r e sa n do b t a i n st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h el o c a ln u s s e l tn u m b e ra n d t h el o c a lr e y n o l d sn u m b e ri nv e r t i c a lp e r i p h e r a ls u r f a c e ，h o r i z o n t a lp e r i p h e r a ls u r f a c e a n db l o c kp e r i p h e r a ls u r f a c er e s p e c t i v e l y 1 1 1 ep r o p e r t i e so fp e r i p h e r a ls u r f a c eh e a t i i 青岛科技人学研究生学位论文 t r a n s f e ra r ee x p o u n d e dd u r i n gt h ep r o c e s s e so fr o t a t i n ga n dt h ep r o c e s s e so ft r a n s l a t i o n a n dr o t a t i o n a lc o u p l i n g m e a n w h i l et h ei n f l u e n c eo fw i n ds p e e do nt h ep e r i p h e r a l s u r f a c eh e a tt r a n s f e ro fd i s ki sa l s oa n a l y z e d c o n f i n e dt ot h er e y n o l d sn u m b e r , t h es t r u c t u r a lc h a n g e so fp e r i p h e r a ls u r f a c eo f d i s ki n f l u e n c el e s so nt h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ra st h ed i s kr o t a t i o ns p e e di n c r e a s e s d u r i n gt h et r a n s l a t i o na n dr o t a t i o n a lc o u p l i n gp r o c e s s ，t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so f s m o o t hp e r i p h e r a ls u r f a c e ，v e r t i c a lp e r i p h e r a ls u r f a c e ，h o r i z o n t a lp e r i p h e r a ls u r f a c e a n db l o c kp e r i p h e r a ls u r f a c eb e c o m es m a l l e rs u c c e s s i v e l y ；a n dw h a ti sm o r e ，t h ed v a l u ef o rc o r r e s p o n d i n gc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so fe a c hd i s c r e t ep o i n ta r e c o n s i s t e n t n om a t t e rw i t ho rw i t h o u tt h ei n f l u e n c eo fw i i l ds p e e d t h ec o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e rc o e 伍c i e n to f s m o o t hp e r i p h e r a ls u r f a c ei st h em a x i m u mo n e w h i l et h a to f b l o c kp e r i p h e r a ls u r f a c ei st h em i n i m u mo n e o nt h eo t h e rh a n d ，t h eh e a tt r a n s f e r e f f e c t so fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a lp e r i p h e r a ls u r f a c e sa r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tb e c a u s e o ft h ei m p a c to fd i f f e r e n tw i n ds p e e d s k e yw o r d s ：p e r i p h e r a ls u r f a c eo fd i s kh e a ta n dm a s st r a n s f e ra n a l o g yn a p h t h a l e n e s u b l i m a t i o nt e c h n o l o g yc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t i i i 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 v i 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 概述 1 绪论 圆盘是指具有典型圆形结构的元件，如图1 1 ，由于其特殊的结构特性，被 广泛应用于机械、电子、能源、化工和航空等诸多领域。工业生产中的广泛应用 以及圆盘结构的特殊性引起了大量学者的关注，有关圆盘的研究也并取得了丰硕 的成果 1 - 1 2 】。 1 2 圆盘研究现状 图1 - 1 圆形结构元件 f i g 1 1c o m p o n e n t s 、析t hc i r c u l a rs t r u c t u r e s 目前，以力学为基础的圆盘研究取得了长足的发展。2 0 世纪以来常录喜等从 平衡、几何和物理三个方面出发，导出了同时考虑惯性和温度影响的、用位移表 达的非齐次微分方程，并给出了该方程的解的一般式。并从该式出发，分别研究 了高速旋转圆盘在稳恒均匀温度和稳恒非均匀变温下的位移及应力，及其解析 式。文献f 2 研究了等速旋转圆盘弹性应力分布的理论公式，根据圆盘的轴对称特 性详细分析了有限元模型的建立、载荷和约束条件，并给了数值模拟的结果。最 后通过实例，验证了模拟结果与理论结果的一致性。 近年来，文献f 3 】研究了水平面内无滑滚动圆盘的平衡运动及轨迹跟踪控制， 建立了圆盘的无滑纯滚动的非完整约束模型。针对滚动圆盘存在的侧向不稳定问 题，提出了一种侧向平衡条件，并以此条件为基础运用李亚普诺夫函数稳定设计 理论导出了姿态平衡控制律，同时利用反演控制技术设计了水平面轨迹的稳定跟 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 踪控制规律，从而实现了圆盘平衡运动和轨迹跟踪控制。 也有学者利用全息干涉中的二次曝光法，如图( 1 2 ) 所示，对加热圆形盘中 心表面附近空气折射率变化规律及温度空间分布规律进行了研究，给出了实验的 基本原理、过程、及数据处理方法，实现了对圆盘表面温度分布的定量测量。这 种测量方法也就是所谓地非接触测量，主要通过把光电技术与计算机技术融合到 机械测量中，( 当然中间有很多传感技术) 从而实现快速，准确的非接触测量。 虎麓 图卜2全息干涉实验记录光路 f i g 1 - 2o p t i c a ll i n eo fh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r yi ne x p e r i m e n t a lr e c o r d 随着计算机、微电子技术、材料科学的发展，针对圆盘和旋转圆盘的研究越 来越受到关注。如今像圆形剪切机结构的改进，干燥机圆盘转子的设计，航空发 动机涡轮盘的优化设计，对圆盘结构设计都有着特殊的要求。同时，以圆盘结构 元件为基础的研究也有了进一步的发展，大多数的研究成果已经投入实际生产， 并取得了很好的经济效益。 ( 1 ) 旋转圆盘式干燥机 旋转圆盘式干燥机，如图( 1 3 ) 所示，是一种连续运转的新型间接式干燥设 备，已广泛应用于化工、食品、饲料等行业。其结构特点是：在密闭干燥室内， 一个带有数十片空心圆盘的转子缓缓旋转，通过旋转金属盘将热量传递给物料， 物料在旋转盘外吸热增焓使水分析出。该干燥机的技术关键在于确定旋转圆盘与 物料问的真实传热系数。文献 4 】采用移动加热板式的颗粒热传递模型推算了大型 旋转圆盘干燥机的传热系数，其结果与干燥机的实际运行情况基本符合。 ( 2 ) 新型圆盘剪切机构 圆盘剪切机主要是进行直线切割。随着我国工业的快速发展，对裁剪提出了 更高的要求进行曲线的切割。目前能进行曲线切割的圆盘剪切机结构复杂、 剪切速度慢。文献【5 从分析曲线剪切的原理入手，提出了新型圆盘剪切机构，并 建立了剪切机构的动力学模型。 2 青岛科技大学研究生学位论文 23 图卜3 旋转圆盘式干燥机结构简图 f i g 1 - 3s t r u c t u r ed i a g r a mo fd r y e rw i t hr o t a r yd i s k 1 蒸汽入口( s t e a mi n l e t ) 2 湿影翔f 出口( m o i s t u r eo u t l e t ) 3 物料入口( m a t e r i e li n l e 0 4 冷凝水入口( c o n d e n s e dw a t e rh a l e t ) 5 物料出口( m a t e r i e lo u t l e t ) ( 3 ) 旋转圆盘空蚀试验 在液体流动过程中，因局部压强变化，液体内部或液一固截面的蒸汽或空泡 形成，当空泡在固体表面附近发生时，所产生的微射流或微激波造成固体表面破 坏的现象称为空蚀。文献【6 】利用自制旋转圆盘空蚀试验装置，如图( 1 - 4 ) 所示， 以流动水位介质对四种硅片进行了试验，通过跟踪观察该试验研究了硅材料的微 观破坏过程，并利用扫描电子显微镜等仪器对其表面微观形貌进行了分析。 图1 - 4 旋转圆盘空蚀实验装置 f i g 1 - 4e x p e r i m e n t a ld e v i c eo fc a v i t a t i o nw i t hr o t a t i n gd i s k 1 机座( f l a m e ) 2 电机( e l e c t r i cm o t o r ) 3 容器( v e s s e l ) 4 流体介质( f l u i dm e d i a ) 5 转盘( t u r n p l a t e ) 6 试件( t e s t p i e c e ) 7 制冷机( f t e e z e r ) 8 循环水泵( w a t e rc i r c u l a t i n gp u m p ) 9 流量阀( f l o wv a l e ) 同样，旋转圆盘也是汽轮机、离心式压缩机、航空发动机涡轮盘等的重要部 件之一。其典型的结构特点已受到越来越多的关注和重视，其应用和研究价值也 有待于更进一步的发展。 3 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 1 3 对流换热实验研究 传热学的实验研究内容，大致有导热实验、对流换热实验、辐射换热实验、 两相流及其换热实验、换热器实验等等。而对流换热实验研究中，因受流动和流 体中热量传递的综合影响，目前，对流换热表面系数的值主要靠实验获得。 1 3 1 对流换热概述 广义的对流换热是指，流体流过固体壁面情况下所发生的热量交换。对流换 热以牛顿冷却公式为基本计算式，即 q = h a t ( 1 一1 ) 或对于面积为彳的接触面 q = h a a t 。 ( 1 - 2 ) 其中，f 。为换热面积a 上的平均温差。研究对流换热的任务就是要揭示出表面 传热系数与影响它的有关物理量之间的内在联系，确定计算表面传热系数h 的具 体表达式。 影响对流换热的因素主要有：( 1 ) 流体流动的起因；( 2 ) 流体中有无相变； ( 3 ) 流体的流动状态；( 4 ) 换热表面的几何因素，其主要是指换热表面的形状、 大小、换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热表面的状态；( 5 ) 流体的物 理特性，主要是指流体的密度、动力粘度、导热系数、比定压热容等。 在传热实验研究中，对试件加热并对试验表面进行热流测量具有特殊的意 义。表面热流测量的准确性是非常重要的，一般情况下，热流的测量误差是直接 反映到最终实验结果中的。另外，热流测量之所以受重视的另一个原因是热流测 量的难度较大，尤其是在瞬态传热实验中，热流的测量更加困难。至今尚无一种 理想的成品热流计来测量被测表面的热流，因此热流测量的研究仍是传热学中的 热门课题。 1 3 2 对流换热实验研究方法 对流换热是流体与固体表面问的换热过程，它是复杂的流体力学和传热学问 题。分析求解对流换热问题，实际上是联立求解由连续方程、动量方程、能量方 程和换热方程构成的微分方程组。一般情况下，对于给定单值性条件后，分析求 解上述方程组，原则上是可行的，但是，对于实际的换热过程，不论分析求解还 是数值求解都具有很大难度，往往要借助于实验求解和相似原理。 对流换热实验研究的主要目标是实验求解换热系数( 或努塞尔数) 的规律或 4 青岛科技大学研究生学位论文 求解其温度分布。由于换热系数沿换热表面未必是常数，所以，有时需要实验研 究局部换热系数的分布规律，有时需要求解平均换热系数。实验确定导热系数或 导温系数的基本原理是实验求解导热方程的反问题，即实验测定一定工况下物体 的温度分布，进而计算出被研究物体的导热系数或导温系数。因此，任何有分析 解的导热模型，都可以作为测定导热物体系数的实验模型。对流换热模型包括稳 态模型和非稳态模型( 即所谓的瞬态法) 。 ( 1 ) 稳态模型 在稳态实验方案中，热流的测量一般不是直接实地测量换热表面的热流，而 是通过稳态热平衡的方法( q 放= q 吸) ，认为加热量即为通过试件的导热量。其 特点是实验参数测量时间充分，可以对实验结果进行较细致的误差分析。由于流 体试样中，除存在对流换热以外，还可能伴有辐射换热。因此，在对流换热的测 量试验中，应尽量降低辐射换热。 ( 2 ) 非稳态模型 瞬态法测量物质的对流换热系数，所依据的是给定的非稳态导热理论模型的 分析解。其特点是节省时间，运行费用低等优点。瞬态实验过程中，只需要测量 被研究表面的热流值。一般都采用薄膜热流计直接测量被研究表面的热流，而不 需要像稳态法那样，利用稳态热平衡法进行测量。但在瞬态过程中，除要保证实 验模型与理论模型的初始条件一致性以外，还要保证实验模型的边界条件随时间 的变化规律与理论模型一致。 因此，对流换热实验方案设计主要任务是： ( 1 ) 确保实验模型满足理论模型的要求； ( 2 ) 准确地测量理论模型中规定的参数。 对流换热的实验研究方法，除了进行针对给定工况下的换热实验研究外，应 用比较广泛的另一种方法是传热一传质模拟实验研究。由于描述单相均匀介质对 流换热现象的微分方程组与描述单相等温双组元介质对流传质现象的微分方程 组在某些情况下具有相同的形式，因此，当两者给定单值性条件具有相同形式的 数学表达式时，两者的解必然具有相同的形式。也就是说，两者是彼此类似现象。 基于这一基本原理，传热一传质模拟实验研究得到了发展，并给传热实验研究带 来了方便。 - 5 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 1 4 旋转圆盘表面对流换热研究 1 4 1 萘升华技术 萘是一种可由固体状态直接转变为气体状态的化学材料。这种由固体状态直 接转变为气体状态的物理现象称为升华，具有这种升华性质的材料还有樟脑 ( c l 。日。d ) 、n - - 氯代苯、n - - 溴代苯等。萘的化学分子式是c l 。仇，分子量是 1 2 8 1 7 ，正常熔点为3 5 3 4 3 k ( 8 0 2 8 。c ) ，固态密度为1 1 7 5 k g m 3 。 萘升华模拟实验是利用萘在空气中的升华现象进行传质实验，以此来模拟相 应的对流换热现象。萘升华模拟实验是一种典型的传热一传质模拟实验，并有较 长的发展史。j a k o b 和k e z i o s 首先使用蔡升华技术来研究对流换热问题。随后， s p a r r o w , g o l d s t e i n 等更广泛地应用萘升华技术研究了多种对流换热问题。与此同 时，这种方法也先后被英国、日本和苏联等国家的研究者应用【9 _ 3 l 】。 萘升华的传质实验方法相对于传热实验方法来说，有比较精确的测量结果， 而且又有便于操作的优点。同时，这种方法依赖于萘的特性值，例如萘的基本特 性是固体萘的密度、被渗透的蒸汽压力和在空气中的传质系数。固体萘的密度和 萘的气流特性可以通过仪器测量出来。典型的确定传质系数的萘升华实验研究过 程主要包括五大步骤：萘试件的制作；测量萘试件的初始表面形状或初始质量： 用制作的试件进行传质实验研究；测量实验后的试件表面形状或质量；实验数据 处理，计算传质系数等。 近二十年，我国国内也开展了大量这一领域的研究工作，如中国科学院工程 热物理研究所、西安交通大学、华中科技大学等在这方面都做了很多有益的工作。 随着萘升华技术的出现和热质比拟原理的应用，大大方便了实验研究工作，拓宽 了研究对象和研究范围。如，文献【3 3 】，采用萘升华传热一传质比拟技术，对单 个圆形射流在不同喷嘴到被冲击表面距离时的换热进行了局部传质一传热实验， 研究了不同喷嘴到冲击表面距离和不同r e 对单个圆形射流局部对流换热特性的 影响。文献 3 4 】在循环流化床试验台上对床中气体与颗粒两相间的传热特性进行 了试验研究，考察了不同的固体颗粒循环量、一次风风速和床料平均粒径对气粒 间换热的影响。另外，兰州交通大学机电工程学院，利用萘升华传质一传热比拟 技术研究了横向管间距对涡强化扁管管片局部传热的影响。通过不同位置的横向 实验数据比较，得到了在纵向放置不同旋转方向的涡产生器情况下，不同横向管 间距的局部传热特性。 在文献 3 6 e p ，作者详细讲述了萘升华原理应用于研究局部换热规律、运动 换热表面的换热规律、自然对流换热等方面的优点及实验注意事项。也有学者如， 6 青岛科技大学研究生学位论文 g o l d s t e i nr j 和c h oh h 对以前的文献进行了综述，指出了使用萘升华热质比拟 技术的优点【3 7 1 ： ( 1 ) 在大多数情况下比常规测量的准确度要高。可以实现在传热试验中无法 实现的一些边界条件。 ( 2 ) 传质实验很容易制造和控制，测量方便，不需要复杂的加热和测量装置。 ( 3 ) 不会造成流场的破坏。 ( 4 ) 便于测量局部传热系数，易于得到沿换热表面的局部n u 数分布数据。 ( 5 ) 在一些特殊情况下，可以单独测量一侧的对流传热系数，避免了分解上 的困难。并可用于难以测量热流和温度的场合，并使整个实验节省大量人力、物 力和时间。特别是在流动情况和几何尺寸比较复杂或者传热速率梯度比较大的情 况下，优点更加突出。 ( 6 ) 实验试件制作较为简单。萘升华技术只需要被萘包裹的样本，这个样本 可以很容易地用铸造的方法制造出来。 i 。 1 4 2 旋转圆盘表面对流换热 由于实验环境和条件的限制，国内外大部分研究进行的都是关于静止圆盘表 面对流换热的研究【3 8 枷】。近几年，也有少数学者对旋转圆盘表面对流换热进行了 研究。其中最为常见的就是利用萘升华技术和传热一传质类比原理进行研究。例 如，文献【4 l 】利用萘升华技术研究了有源和无源的封闭旋转盘的平均舍伍德数 砌。，以及后期又研究了旋转自由盘的平均、局部舍伍德数砌和平均、局部努塞 尔数n u 。也有学者研究了旋转腔自由端的平均舍伍德数和周向、径向间隙对一 个带罩的转一静系统的传质特性的影响。而文献 4 2 】利用萘升华技术对自由盘和 中心迸气冷却旋转圆盘进行实验研究，并得到了转一静盘系中盘缘冲击冷却的换 热、换质规律，对航空发动机的设计具有实际意义。也有学者对单一及平行旋转 圆盘的对流传质、对流换热特性进行研究。 本实验室利用热质比拟原理和萘升华技术，将滚动轮胎的运动抽象视为直线 运动的旋转圆盘的运动，在风洞中对旋转圆盘表面的对流换热系数进行了试验研 究。试验中将轮胎表面对流换热抽象视为直线运动的旋转圆盘的对流换热，不但 考虑了直线运动速度的影响，而且附加了轮胎转速的影响，从而可以更加准确地 表征轮胎表面的实际对流换热情况。通过对转速在3 0 0 1 1 0 0 0 r m i n d 圆盘表面对 流换热系数进行进一步测量，发现旋转圆盘表面对流换热系数随转速呈近似线性 增大。对实验结果做无因次化处理，得到准则参数的半经验公式【4 7 1 。 根据文献，对旋转圆盘表面对流换热的研究中，主要是利用萘升华技术和热 7 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 质比拟原理进行分析研究，且大多数都是针对圆盘侧表面对流换热的研究。结合 本实验室的研究成果，拟对圆盘周向表面对流换热进行萘升华比拟研究；计算不 同圆盘周向表面的对流换热系数，并进行无量钢化处理，得到准则数间的关系式； 同时分析圆盘结构对其周面散热的影响。 1 5 课题的目的及意义 目前，圆盘的研究已成为重要的研究课题。这类问题既有理论意义，又有广 泛的应用背景，在机械、电力能源、化工和航空等许多领域均有涉及，不少学者 针对此类问题进行了大量的探索和研究。 而其中旋转圆盘研究为最多，也最为广泛。特别是旋转圆盘表面散热特性的 研究已成为重要的研究领域，国内外学者就此进行了大量的研究。但从目前的文 献可以看出，这种研究局限于旋转圆盘侧表面散热的研究，也有不少学者考虑到 了旋转圆盘所处环境风速的影响，然而对圆盘周向表面的散热状况未加以深入研 究。因此，本文是在前人研究成果的基础上，从圆盘的基本结构出发，同时考虑 圆盘结构和风速因素的影响，通过实验测量不同圆盘周面的对流换热系数，并分 析圆盘周面对流换热特性，得到较为完整的圆盘周面散热规律。 研究成果对以下方面有重要意义： ( 1 ) 用于指导圆盘散热的研究，特别是圆周表面散热问题的研究。圆盘周 面散热可以利用萘升华技术和热质比拟原理进行研究。 ( 2 ) 指导轮胎的表面散热。旋转圆盘周面对流换热可较好地模拟胎面对流 换热，胎面的对流换热可用圆盘周面对流换热来表示，从而可以更准确的表征轮 胎表面的实际对流换热情况。有望为滚动轮胎温度场有限元分析提供边界条件， 指导滚动轮胎散热规律的研究。 ( 3 ) 可用来进一步指导轮胎表面散热，进而对胎面花纹结构设计有指导意 义。 1 6 课题研究内容 针对当前圆盘的研究现状，结合前人的研究成果提出了圆盘周向表面散热规 律的热质比拟研究。本文以圆盘周面散热为研究对象，展开以下几个方面的研究： ( 1 ) 搭建旋转圆盘风洞实验台。根据风洞实验模型及实验内容，设计旋转 圆盘和试件结构及尺寸；根据参数精度要求选择合适的仪器设备；对实验旋转圆 盘系统进行系统校核。 8 青岛科技大学研究生学位论文 ( 2 ) 实验测量平动与转动时，不同圆盘表面结构的萘升华量，并利用热质 比拟原理计算相应的对流换热系数。进一步对实验数据做无因次处理，得出相应 的准则数关联式。 ( 3 ) 同时考虑圆盘转速和风速的影响，分析圆盘转速和风速对其周面对流 换热特性。 ( 4 ) 分析研究旋转圆盘周面结构与其周面对流换热的关系，比较不同表面 结构对旋转圆盘周面散热的影响。 以下章节中将会详细地阐述风洞实验设计、传热一传质基本原理、实验设备 和实验流程的介绍、数据处理及结果分析、总结与展望等内容。 9 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 2 1 概述 2 风洞及热质比拟理论基础 风洞模型实验是一项复杂的空气动力学实验，它涉及面很广、且耗资大，从 实验准备到最后给出实验数据要经过许多环节，因此必须对所做实验进行精心设 计，以达到事半功倍的目的。风洞实验设计的理论基础是相似理论和误差理论等。 2 1 1 风洞试验设计 风洞实验设计包括以下主要内容： ( 1 ) 实验的目的和要求。明确实验的目的和要求是风洞实验设计最基本的 依据。不同的实验目的和要求，所选择的试验方法、风洞、模型、实验设备及数 据处理与修正方法可以完全不同。如飞行器研制提供实验数据，则要求有数个模 型，模型几何外形应精确模拟飞行器，模型和风洞尺寸应尽可能大一些，每个模 型可只进行某一方面的测量，如只用天平测量模型气动力或只测量模型表面定常 或非定常压力分布等。 ( 2 ) 确定风洞实验所必须模拟的相似参数。根据相似理论和实验条件，确 定必须模拟的相似参数，力求以最少的相似参数最大程度反映出流动现象。根据 已确定的相似参数，决定风洞实验必须测量的几何量和物理量。 ( 3 ) 确定j x l 洞实验数据的精确度及实验方案。根据实验的目的与要求正确 地确定实验风洞数据的精确度：确定实验所采用的方案和实验技术。 ( 4 ) 模型及其支架的设计与加工。模型是实验对象，它的设计及加工直接 关系到实验数据的质量。首先应根据相似准则确定模型的缩尺比，模型结构应尽 可能简单，拆卸、安装方便。在设计模型时就应确定模型的支撑形式，设计模型 支架，并考虑支架干扰如何修正，若有需要，应同时设计、加工模型的辅助支撑。 ( 5 ) 确定风洞实验数据的采集、处理和修正方法。根据实验目的与要求， 合理确定实验数据的采集方式( 取平均值或瞬时值) 、采样速率及采样时间。 ( 6 ) 选择实验仪器和设备。为节省时间和经费，应尽可能选择风洞现有的 仪器与设备。 ( 7 ) 实验数据的预估与分析。对于每项实验，特别是新的实验，实验人员 均应在实验前对该实验模型和试验条件进行有关数值计算( 或工程计算) 并查询 l o 青岛科技大学研究生学位论文 风洞实验数据库，找出类似几何外形模型和试验条件的数据、曲线。 2 1 2 相似理论 为了解决如何做模型实验以及模型实验的数据如何运用到实物原来的现象 中去的问题，建立了相似理论。该理论可以帮助j 下确地选择相似准则，以最少的 相似参数在最大程度上反映出被研究对象的主要物理现象，以大大减轻实验工作 量。同时该理论也是风洞实验的理论基础，用它来指导实验和处理、分析实验数 据。 相似理论的基础是量的线性变换或相似变换。所谓两个物理现象相似是指在 对应点上对应瞬间所有表征现象的相应物理量都保持各自固定的比例关系( 如果 是向量还包括方向) 。风洞实验是建立在绕模型的流场与绕实物的流场相似的基 础上的即要求两个流场的对应点上的对应瞬时所有表征流动状况的相应物理量 都保持各自的固定的比例关系。一般情况下，只有保持几何相似、运动相似、动 力相似、热力学相似以及质量相似才能保证流场完全相似。 ( 1 ) 几何相似：两个物体( 或图形) ，其中之一经过各向等比例变形能与另 一物体( 图形) 完全重合，则称两物体( 或图形) “几何相似 ： ( 2 ) 运动相似：绕两个几何相似物体的流场中，流体微团经过任意对应流 场所需的时间之比值为一常数，即称为“运动相似。运动相似的流场，其对应 点速度和加速度的比值均为常数；。 ( 3 ) 动力相似：两个流场中对应点作用的各种力的大小之比为常数，且方 向相同，则称为“动力相似 ； ( 4 ) 热力学相似：两个流场对应点的温度之比为常数，称“热力学相似 ； ( 5 ) 质量相似：两个流场对应点的密度之比为常值，称“质量相似 。 两种现象相似，必然是同一类现象，其表征此类现象的物理方程和单值条件 一定相似，则他们的解也是相似的。 相似第一定理指出：凡是相似的想象，在任何相对应的地点和相对应的瞬间， 其同名的准则数保持相等。这为在模型与原型之间建立联系提供了理论依据。 相似第二定理指出：微分方程组及单值性条件所取得的无因次准则方程与积 分以后所取得的准则方程的内容与数目保持一致。说明得到的无因次方程足以反 映整个物理现象。 相似第三定理指出：凡单值性条件相似，且单值性量构成的准则相等的现象 是相似的。对于对流换热问题，单值性条件为： a 时间条件：稳态问题不需要此项条件，非稳态问题中指的是初始时刻的物 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 理量的分布； b 边界条件：壁面温度或壁面热流密度，壁面处速度无滑移条件等； c 物理条件：流体的种类和物性等； d 几何条件：换热避面的几何形状和尺寸、壁面粗糙度等； 2 1 3 误差理论 实验结果都有误差。误差自始至终存在一切科学实验的过程之中。高质量的 实验数据是一切科学实验最本质的要求。 误差或绝对误差是指某物理量的给出值与真实值之间的差异。 误差= 给出值一真值 给出值包括测量值、标称值、示值及近似值等。真值是一个客观存在的理想 值。在某些特定情况下，真值是已知的；实际工作中，通常把高精度测量值或无 系统误差条件下多次重复测量的算术平均值作为实际值代替真值。 误差按性质可分为系统误差、随机误差、过失误差三类。 ( 1 ) 系统误差( s y s t e m a t i ce r r o r ) 。系统误差又叫固定误差或偏差。它在同 一条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号均保持恒定；或在条件改变时， 按某一确定的规律变化的误差。 ( 2 ) 随机误差( r a n d o me r r o r ) 。随机误差又叫偶然误差。它是在实际相同 条件下多次测量同一量时，误差时大时小、时正时负，但却呈现统计规律并具有 抵偿性的误差。如读数不一致、环境条件变化等都能产生随机误差。 ( 3 ) 过失误差( f a u l te r r o r ) 。过失误差又叫粗差。它是明显歪曲测量结果的 误差。如测错、读错、记错等都会带来粗差。含有粗差的测量值称为坏值或异常 值，在正确的实验测量结果中都应剔除。 因此，对于一项精密实验的要求是：消灭粗差，修正系统误差，控制随机误 差。 风洞实验数据的误差主要来自以下几个方面：模型误差、环境误差、实验装 置和仪器仪表误差、试验方法、实验数据采集和处理误差、人员主观因素引起的 误差。 2 2 传热传质模拟技术 如果两个或更多的过程都由同样形式的无因次方程式描述，这些过程称为是 可类比的。在两个几何相似的空间中的流动系统里，若对应点处的同名物理量之 间成一定的比例关系，那么这两个流动系统是相似的。流动相似包括几何相似， 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 运动相似和动力相似。几何相似要求模型的边界形状与原模型的边界形状相似及 模型表面的粗糙度相似。运动相似是指在满足几何相似的两个流动系统中，对应 质点的运动状态和运动轨迹是几何相似的，并且同归对应唯一所用的时间也成固 定的比例关系，这样对应点处的速度向量和加速度向量相互平行，并且大小成一 定比例关系。动力相似是指在几何相似和运动相似的两个流动系统中对应点处作 用者同样性质的力，这些力方向相同，大小成一定的比例关系。在一定情况下传 热过程与传质过程彼此是类似的。因此可以利用这一原理对传热与传质进行类比 实验研究。在传热学范围内，通常利用传质过程来进行传热过程的类比实验研究。 即用传质现象来模拟传热现象，以得到传热过程的实验解。在传热一传质类比实 验中，以质量流来模拟热流，以浓度场来模拟温度场，以浓度梯度来模拟温度梯 度。类比的主要含义是，控制热边界层状况的无因次关系式必须和控制浓度边界 层的关系式一样。因而，边界层温度性和浓度性必然是同样的函数形式。 在传热实验中，对温度测量一般采用温度传感器经二次仪表转换成所测的温 度值。而在传质实验中的浓度场测量多采用空气采样方法或质量差，质量差比较 容易测量。所以，在一定条件下，用传质实验来模拟传热实验会带来很多方便。 2 2 1 热一质比拟基本原理 文献 3 6 1 在- 定条件下，传热过程和传质过程是类似的，因此，可以利用这 一原理对传热传质过程进行类比实验研究。在空气动力学中指出，描述一个稳定、 常物性、不可压、低速且忽略质量力的流场微分方程组，为 堕：o 啦 ( 2 1 ) p c 要+ 噶，= 一善+ 毒 c + 以，( 考+ 善) ( 2 圳 式中，p 流体动力粘性系数 气素流粘性系数( 或紊流动量扩散系数) 这就是常见的连续方程形式。上述方程是中，顶标“一”表示时均值。对方 程无因次化，取l o 为长度参考量，v o 为速度参考量，( 垒) 为时间参考量，( 毹) 为压力参考量，于是，各参数的无因次形式为 置2 詈巧2 昔r2 互, - p 2 两p 圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究 将上述无因次参数代如( 2 - 1 ) 及式( 2 - 2 ) ，得 盟：o 懿 堕d f