（热能工程专业论文）折流翅片强化表面换热特性实验与数值模拟.pdf

摘耍 摘要 根据场协同理论发展了一种新型强化换热表面并对其流动和换热特性进行了 实验测定。讨论分析了翅片倾角，通道高度以及翅片导热系数等参数对换热和流动 特性的影响。并与光通道的结果进行了对比分析。 实验中，在矩形通道外表面敷设加热带来加热通道内的空气，测试不同流速时 的进出口温度、壁面温度、流体速度和压力损失等参数，并将实验结果整理成无量 纲准则数形式。实验结果表明，随着尺e 数的增大，通道换热逐步增强。在所研究 的通道高度h ：2 0 。4 0 川m 和翅片倾角o 2 3 24 范围内，翅片倾角增大时换热效果 增强，同时阻力系数也明显增大。对这种通道结构在相同泵功的约束条件下进行评 价表明，在所研究的r e 数范围内，其强化比：帆。在2 o 2 7 之间。三种通道 高度下强化比随翅片倾角的变化有所不同。对于日= 2 0 所m 的通道来说，随着翅片 倾角的增大强化比单调增大，翅片倾角占：2 3 2 时强化换热效果最好。而对于通 道高度日：3 咖研和4 0 m m 情况，翅片倾角口，1 6 o 时强化换热效果最好。说明对 一定的通道高度，存在一个最优的翅片倾角使其综合换热性能最优。此外，翅片 导热系数增大时对提高强化换热的作用更明显，表明实用中折流翅片宜采用导热良 好的材料制作。 最后对二维平行平板通道入口段内设置折流板的换热和流动特性进行了数值 模拟。研究了折流板倾角以及通道长高比工h 对换热和阻力特性的影响。r e 数范 围覆盖层流和紊流两种状态。在折流板倾角口；0 2 1 。8 范围内，通道平均h 数 随折流板倾角口的增大而单调增大，随通道长度增大而单调减小。相同泵功的约束 条件下评价结果表明，层流时小倾角折流板较优，而紊流时折流板倾角的影响不明 显。另外，还分析了换热性能与场协同性之间的关系。 关键词：强化传热：场协同；折流翅片；实验；数值模拟 a b s t r a c t ae n h a n c e ds u r f a c eo fh e a tt r a n s f e rh a sb e e nd e v e l o p e db a s c do nt h ef j e l ds y n e 唱y p r i n c j p l e t h ei n n u e n c eo ft h ef i na n 9 1 e ，t h ec h a n n e lh e i g h t ，a n dt h ef i nc o n d u c t i v i t yo n t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh e a tt r a n s f e ra n dn o wr e s i s t a n c eh a sb e e ni n v e s t j g a t e di nd e t a i l _ t h ec o m p a r i s o no ft h et h e 珊a lp e r f o 硼a n c ew i t ht h a to ft h es m o o t hc h a n n e lh a sb e e n c o n d u c t e d i nt h ee x p e r i m e n tt h ea i rj sh e a t e db yt h ef i l mh e a t e ri n s t a l l e do nt h eo u t e rs u r f a c eo f t h ec h a n n e l t h ep a r a m e t e r so fi n l e ta n do u t l e t t e m p e m t u r e ，w a ut e m p e r a t u r e ，n o w v e l o c i t ya n dt h ed r o po fp r e s s u r ea r et e s t e d t h ed i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s h ，ma n d ， a r ea d o p t e dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh e a tt r a n s f c ra n dt h en u i dn o w t h er c s u l t si n d i c a t et h a tt h eh e a tt m n s f e ri sg r a d u a l l ye n h a n c e dw i t ht l l er e i n c r e a s i n 昏i nt h es t u d i e d 砌g e o ft h ec h a l l i l e lh e i 曲t 日= 2 0 4 0 m ma 1 1 dt h ef i na n 甜e 鼻= o 。2 3 2 。，t h eh e a tt r a l l s f e rg e t ss t r o n ga st h ef i na i l 班ei n c r e a s e s m e a n w h i l e ，t h e 丘i c t i o nf a c t o ra l s oi n c r e a s e so b v i o u s l y t h ea s s e s s m e tu n d e rt h ec o n s t r a i n to ft h e i d e n t i c a lp u m p p o w e fc o n s u m p t j o nr c v e a l st h a tt h ee n h a n c e m e n tr a t i oo f 肌m 。i si n t h er a n g eo f2 0 2 7 1 1 1 i si d i c a t e st h a tt h et h e 珊a ip e 由m a n c eo ft h ef i n n e dc h a i l n e li s s u p e r i o rt ot h es m o o t hd u c t t h ev a r i a t i o no f 帆肌。w i t ht h ef i na 蟛ei sr e l a t e dt o t h ec h a n n e lh e i g h t f o rt h ec a s eo f 日= 2 0 m 埘，t h ef i na n 舀e 口= 2 3 2 i st h eb e s t ， w h j l ef o r h = 3 0 ”a n d 4 0 聊所，t h ef i na n 出e 口；1 6 o + i st h eb e s t t h i st e l l su st h a t t h e r ee x i s t sa no p t i m u mf i na i l 甜et h a tp r o d u c e st h eb e s th e a tt r a n s f e fp e r f o m a i l c ef o ra 百v e nc h a n n e lh e i g h t i na d d i t i o n ，i h e n d u c t i v i t yo ft h ef i nm a t e r i a la l s oi m p a c t st h e h e a tt r a i l s f e rs i g l l i f i c a n t l y f i n a l ly ，t h en u m e r i c a ls t u d yh a sb e e np e r f o 瑚e df o r t h ee n t r a n c en o wa n dh e a t t r a n s f e ri nt h et w o - d i m e n s i o n a lp a r a l l e lp l a t ec h a n n e lw i t hs i n g l en o w i n c l i n i n gf i n t h e i n f l u e n c e so ft h ei n c l i n i n ga n 出e 卢，t h er a t i ol h ，a i l dt h er e y n o l d s u m b e r 彻t h eh e a t t r a n s f e ra n dt h en o wr c s i s t a n c eh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d b o t hl a m i n a ra n dt u r b u l e n c en o w a b s i r a c t sc o v e r e di nt h es i m u l a t i o n a s s e s s m e n tu n d e rt h ec o n s t r a i n to ft h ei d e n t i c a lp u m p p o w e r r e v e a l st h a tt h es m a l li n c l i n i n ga n 百ej ss u p e r i o rt oo t h e r sf o rt h el a m i n a rn o w f o r t h et u r b u l e n c en o wt h ei n f l u e n c eo fh na n g l ei so fl e s ss i g n i f j c a n c e i na d d i t i o n ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h e n i l a lp e r f b 珊a n c ea i l dt h ef i e l ds y n e r g yd e g r c eh a sa l s ob e e a n a l v z e d k e yw o r d s ：h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ；f i e l ds y n e r g y ；n o w j n d i n i n gf i n ；e x p e r i m e n t ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 北京1 业人。孑1 。? 硕p 学位沦文 通道截面积 定压比热 当量直径 阻力系数 质量流量 符号表 u电压 矿通道宽度；加热功率 血翅片间距 x ，v ，z 坐标 希腊字母 对流换热系数；翅片尾部高p密度 通道高度 电流 砌f场协同积分 七 l n 导热系数 通道长度 泵送功率 “努谢尔特数 压力 湿周 普朗特数 热流密度 雷诺数 温度 通道内平均流速 p 6 1 ， 叩 f 盯 r 下标 o w 6 ，咒 v 速度矢量与温度梯度的夹角 翅片倾角 运动粘度 动力粘度 热平衡指标 动能耗散 湍流脉动动能 扩散系数 光通道 壁面 主流 体积平均 平均 4 c ， d ， g 矗 h ， p p n q 丁 “ 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：拯：乏盘日期：迦互艺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趣璧盘导师签名 拓谬嗍趔夕 篇1 罩绪论 第1 章绪论 1 1 弓l 言 2 l 世纪，世爨各国更加关注掰能源的开发和节能途径的探索，随着现代化工业 的一毪速发展，对能源的需求也将与日剧增，设计和制造各类高性能换热设备是经济 地开发和刊用能源舱最重要手段。近年来推出的多静强化传热的研究成果为化工、 石油等工波提供了多种新型高效的传热设备，使大量余热得到回收和利用。强他传 热技术与离效换热设备已有广泛的应用劳取褥了较大的经济效益。强化传热在其它 工业中也有着极为广泛的应用，在现代科学技术领域里，无论动力、冶金、材料、 制冷等工程，还悬空间、电子、核能等高技术也都不可避免地涉及到加热、冷却和 热蹙传递的问题。强化传热研究的主要任务是改善提高热传播的速率，黻达到用簸 经济的设镊来传递规定的热量，或是用最霄效的冷却来保护高温部件的安全运彳亍， 或楚用最商的热效率来实现能源合理利用的目的。因此研究传热过程的强亿阕怒不 仅是现代工业发展中必须解决的课题，同时也是开发新熊源和开展节能工作的紧迫 任务，因黼研究和开发强化传熟技术对予发展国氐经济吴有十分鼙要的意义。 众所周知，对流传热是热量传递的基本方式之一，它不仅普遍地存在于许多热 设备和生产过程中，而且箕热阻往往是构成传热j 遣程总燕阻的主簧部分，困诧关于 对流传热激化技术的研究弓l 起了人们的普遍重视。 近年来，关予强化传热的研究很多，国内外矬发展出了许多对流换热强亿元件 并在工程中撮到广泛应用，如螺旋管、波纹管、缩放管以及各种翅片管等。这些换 热强化元件都是利用粗糙的传热磷来减薄边界层的厚度或增加流体的抗动，从而达 到强化传热的目的。但这些强化换热元件主要是在实验的基础上建立起来的，悬经 验性的，缺乏统一理论指辱，因诧在传热强化的可预见髓和可控往方面欠佳。炎有 从传热强化机理上做进一步的探讨，建立具有共性的传热强化理论，才有利于有针 对往地开麓研究，进而采取更有效的强纯传热播旅。 1 9 9 8 年我国著名学者过增元教授“”及其合作喾从二维对流传热边界层的能量 方程出发，将能爨方程在热边界鼷厚度内积分，褥到下式： a r 笫，f 秽v f ) 方= 一是导= 鼋， ( 1 一1 ) 呵 式中兹蛙参数尹、e 。、是分裂力浚钵豹密度，定蔗托热亵喾热系数且均势常数，繇 是固体表面流体与固体之问的对流传热量。 引入无因次变量 北京1 业人学一学磺十学僚呛义 扩。旦，v f ： 里要 ，可：兰 u 。( l l ) 6 。 d 获得无因次关系式： ，= r e ：p 噬v 硒 式孛矢量点积蔽据矢量运舞巍爨| j 可褥， 扩。v 于= 1 扩| | v 司c o s 口 ( 卜2 ) 以上几式中，批。，r e ，p r 分别表示n u s s e l t 数，r e y n o l d s 数和p r a n d t l 数；u 和，。 分别为流体的局部速度和主流区流体的速度；r ，瓦，分别为流体、主流区流体 嚣璧嚣滠度，8 受速度矢爨秘漫度梯凄矢董之闼熬夹角。 扶( 1 一1 ) 式可以羲掇，改变流速、滋麓、流俸糍性等参数可| 三l 控制对流换热 的强殿，这也正是过去研究的主要内容。但嫩从( 卜2 ) 式还可以看到，在一定的速 度和濑度梯度下，速度矢嫩和温度梯度的夹角对对流换热的强度也起着重要作用， 因此，减小两者之间的必角8 也是强化对流传热的有效途径。提高流体的流速并不一 定戆强能获熬，露量还霹瓣剿弱换燕，这藏涉及弱流场与温度绥鹣配合与蛰霹作爰。 流体流动是否强亿传热取决于流动速度矢鬣和滠度梯度之黼静夹角，即取决于速发 场和热流场之间的协同穆魔，这一理论称为对流传热的场协同原理。 该理论从场协同的观点分析了对流换热的机理0 1 ，把对流换热比拟为有内热源的 导热问题，并提出源强化的概念，指出源项的大小不仅取决于潞度梯度、流体的速 发秘流体貔牲，还取决于速度场程热流场粒炎热。提出可以遂邀泼交流场； 霾温度绥 静协嗣关系来速虱控制辩流换熟静强弱，扶嚣为可控换热寻我肖效戆途径，篌人们 更加肖效的采取各种措施来强化传热，更容易开发出新型高效的强化换热元件。本 课题所采用的折流翅片就魑在场协同理论指埒下开发的一种新型的强化换热元件， 因而研究其流动和换热特性具有积极意义。 2 强化传热技术综述 蟊予生产窝科学技术发震鲍需要，强纯僚熬技术在近年来获褥了广泛器重税帮 发展，无论在实验还是数德研究方面都取得了巨大的成绩，提出了各种有效的强化 传热技术并部分得到成功艘用。例如，粗糙波面“1 、发展表面、扰流元件、涡流投 生器、螺旋管和扭曲管以及复合强化传热技术等。应用粗糙表面的目的是增加近壁 区流体酶滚流度，减少糨瞧底层厚度以降低热隰，两不是增鸯珏传热蕊积。 发震衰瑟篷菇努翅片秘内翅冀嚣蘩，发装凌蟊懿蘧片嘉度一般较糖糙耱要大褥 多，对外翅片而言，主要目的是增加换热面积。但对内翅片管中的传热，则是既可 增加换热面积，又可增加扰动，所以发展表颜不论对湍流换热还是层流换热都有可 观的强化换热的作用。翅片的形状、角度、几何尺寸和材料性质对发展表面的传热 第1 章绪呛 特性都有明显的影响。在通道上设置翅片是一种研究较多应用较广的强化传热技术 5 “。文献 7 对单侧壁面上布置周期性间断肋片的矩肜通道的紊流换热及流动特性 进行了实验和数值研究。因为这种问题广泛存在于如换热器设计、电子器件冷却等 方面，因此对这一问题的研究具有重要意义。而且结论表明在阻力增加不大的情况 下，可以有效增强换热，并且提出了一种最优的结构。由于普通的翅片只是靠增加 换热面积来达到强化换热的目的，因此为了能在已有翅片的基础上更有效的换热， 人们对翅片表面作了一定的改进，在翅片上穿孔就是一个有效的措施。文献 8 9 的研究结果表明穿孔翅片可以显著提高换热系数，因为一方面增加了流体的换热面 积另一方面增加了流体的扰动。 在高温物体内部冷却通道中，常常设置与传热介质流动方向垂直的多排圆形或 椭圆形的扰流柱，它不仅对冷却介质的流动起到很大的扰动作用，而且还能增加传 热面积。s p a r r o w 和陶文铨“”对矩形通道内单侧布置周期性扰流元件进行了强化换热 实验研究，通过与光通道比较得知换热有显著的增强。此外对扰流元件进行研究的 还有文献 1 l 1 2 。 在传热流道入口处或整个流道中放置扭曲带，涡旋叶片或静态混合器，可以使 流道内的层流运动产生强烈的径向涡流运动，从而有效地提高流道内换热。文献 1 3 1 5 主要对通道内设置涡流发生器进行了研究，文献 1 3 主要研究翼形涡流发 生器的换热性能，指出在最优冲击角下这种涡流发生器能很好地用于换热器中。 另外，变截面管也可以有效的强化换热。文献 1 6 ，1 7 对周期性波纹管通道的 流动和换热进行了研究，结果表明波纹管比传统光滑管的综合性能要好，因此适宜 应用于工业生产中。文献 1 8 对变截面管内的充分发展段的流动换热进行了研究。 以上所述的强化换热措施，虽然可以大大的增强换热，但这些换热强化技术在很 大程度上还依赖于实验，仍然属于半经验性的，缺乏统一的理论，因此深入研究对 流换热的理论问题，有益于发展新的强化换热技术。我国学者过增元教授在1 9 9 8 年 提出场协同理论以来，引起了传热学界的广泛关注。因为该理论不仅可以解释现有 强化换热的机理，而且可以用来指导发展新的强化传热技术。对该理论的研究在短 短的几年时间里也取得了巨大进展。 该理论首先证明了减小速度矢量和温度梯度之间的央角是强化对流换热的有效 措施。并且很好的解释了我们常见的几种情况：对于充分发展的圆管层流流动，为 什么等热流边界条件的努谢尔特数( n u 。= 4 3 6 ) 大于等壁温的情况( n u ，= 3 6 6 ) 。这 是由于等热流边界条件下，流速与热流的夹角更小一些，从而使其换热强度增加。 另外，射流冲击在滞止点处的换热特别强，亦是由于在滞止点附近流速与热流夹角 最小；还有，对流边界层壁面有抽吸时换热增加，是因为壁面有抽吸时，速度与热 流夹角减小，源项增加。文献 1 9 引用三个层流流动与换热的例子，说明场协同理 耽泵= 滔人字r 膏碗 一掌静沦文 沧露隘挺我们以蓠孀来勰稽强讫传熬梳理的冗静滋法统一起寒，繇无论楚躐薄边赛 层厚度，增加流体扰动还怒增加壁面附近速度梯度，最终结果都使速度场和温度梯 度场兹鼓弱程疫变褥更好。 该理论是在能擞方程的基础上分析得出的，人们对其谶行了大量的验证。文献 2 蓄走对藏理论送行了验诞，著捺广至l 援弱型滚动与挟热中，涯瑟了对予p r 数不是 很小的流体，减小藏速度与温度梯度的夹角也是强化椭圆型对流换热的有效措施。 涟霖王姻口蝣等对运耀场蛰翊理论麓释藕瑟蘩滚袭进行了数壤验证。文献对匿静 圭援 进行了计算，结果寝明传热的强化与两矢爨的点积的大小密切相关，而且点积的积 分| 夔挨热熬蠖强夏增大。文麸 2 l 】对场按弼理论奁交变滚动缝骧式霾热器中戆疲鼷 进行了数值验证，计算表明在非稳态的交变流动和换热情况下，场协同原理仍然适 用。 场协同理论不仅在层流的情况下是正确的，在湍流条件下证明也是成立的。文 献 2 2 】从充分发震鲍湍流滚魂入手，用数傻模拟黪方法求避二维叛糙肋委上速度场 与热流场的分布情况，从而寻求二糟的协嗣关系对换热的影响，找出控制对流换热 鲍物理机制，进一步发展场协阚理论。结论表弱，漩滚滚场驰黄热屡滚底朦中滚体 的热流场与速度场夹角是控制对流传热的煎蒙因素之一；m ，不仅与传热温麓z ，传 热鼷漉底层的厚度6 相关，也与c o s 拶相关。可以褥斑结论，场协同理论虽然是在边 界魇流动下得出的，但它既适用于抛物型流动，也适用于椭圆型流动，是舆有普遍 意义的。 因此场协同理论自提出至今被广泛应用于各个方面。文献 2 3 2 4 将场协同理 论威用于脉管制冷枫的研究巾，结论表明，三代脉管制冷桃牲能的改进都可以角场 协同的观点得到很好的说明，并且在场协同原理指蹲下，获得了一定结构参数下的 脉管最佳长径比与混合工质的最佳飘比。 文献 2 5 j 将场协同原理应用于换热器强化换热，用c f d 软件模拟流场和温度场的 分布，褥出纵流管先式换热器不同结构形式的流动与传热的结果：光滑管内，速度 矢羹与温度梯度矢豢之间的夹角接近9 0 。，传热效果较差。文献分辅对光管、螺旋 槽管以及加扰流子的管道进行了模拟，结果表明，螺旋槽管和加扰流子的餐道比光 管静抉熬显著增强，驳场稔间的蕊点来看怒因为在这两种情况下，速度矢豢和温度 梯度矢量的夹角小于9 0 。，二者的协同性更好，从丽实现了强化传热。 文献 2 羽在场协同理论指导下逡行了强化换热豹枫理搽讨，剩糯数值分析的方 法，从分析流场与濑度场的协同配合关系入手，研究等壁温和等热流两种边界条件 下两无陵大平扳阕流动静换热特点。研究绪采表萌，在两无限大平板通道豹流动换 热特性和流场与温魔场的协同状况有密切关系，并揭示了在该流动中影响换热的主 要当蠢源，有针对性箍出强亿换燕静方向。 第l 章搿论 场谤蕊骧理不仅；嘻以霸来解释否释强化按燕毒氕理，而且可戳指导开发瑟的强亿 元件。文献 2 7 在场协阊理论指导下发展了一种新型强化换热簿一交叉椭圆管，既 适合予层流换热强化也邋用于湍流换热强化，其强化传热效果朦著而流阻较小。同 时文献 2 8 对这种结构形式进行了实验和数值验证，结果表明，这种结构的综合性 能明鼹优于霹翦所知的诲多强伲技术。文默 2 9 】研究的翅片终搦与本文赝采用酶翅 冀缀稔完全稳强，不道袋爝数萤模菰方法对这秘结秘在强鬏瞧蠢分发震段赘换热秘 流动特性进行了研究。葵结果表明，在通道离度华1 4 3 4 m m 和翅片倾角为o 。2 3 2 范围内，与光通道相比这种结构的强化效果明显。通过对其场协同性的分析验证了 场协阿理论的正确性。 强蓠关于场挤同原理的研究正在我国软极开展，著已取得了可喜的成绩。可以 鞭熬，我鏊其有嚣定l 浚麴浚产蔽豹场臻强瓣溪，将在骚究一般遗移过程豹强纯及箕 控制中发挥积极的诈髓。 1 3 本课题主要研究内容、目的 内于矩形通道的应用a b 常广泛，再加上宦的换热面积( 雀相同容积情况下) 比 睡镣大，因此多年来人们对矩形通道中的溅动与换热进行了太爨的卓有成效的研究。 本文程瑟癸目理论熬鏊懿上署发了一秘耨黧换熬表委，劳怼葵换热与滚动錾力糁魏 进 予研究，具体研究内容包括以下两部分： 1 、矩形通道内设鬣折流翅片的换热和流动特性的实验研究。测试不同船数、 不同翅片倾角下的换热和流动特性，主要考察胎数、翅片倾角、通道高度以及翅片 导热性8 等参数对通道羧热和流动阻力特啦憋影响。 2 、暴雳r l ；e 疆辩二维乎嚣孚扳逶遴入秘段痰设萋孳个援滚叛懿换热；l 蘩滚魂酶 经进行数值模拟。研究辑流板倾角以及通道长高比三z h 对抉热和阻力特性豹影响。 研究的r b 数范围覆盏屎流和紊流两种流态。层流时恐= 1 0 0 1 0 0 0 ，而紊流时 r e = 5 0 0 0 一4 0 0 0 0 。折流檄倾角芦= o 2 1 8 。从相同泵功下强化效果来评价，得到黻 优的折流板倾角。另外，分析场的协同度与换热率之间的关系。 逶 i 妻骧上薄零分瘫容匏磅究，对这秘灏爨蕊强纯接蒸缝稳漾露验迁，最终缮粪 优能豹翅片结构，双嚣为避一步开发换热器摄供参考藏器。 北京l 业人学f 学硕士学位论文 第2 章实验系统及实验方案 前面介绍了本课题研究的意义以及本课题将要升展的工作，本章将从实验| 1 的， 实验方案确定，实验系统组成，实验测量系统以及实验数据处理等 面进行说明。 2 1 实验目的 本课题研究的主要目的是通过对矩形通道内设置折流翅片的换热和流动阻力特 性的实验研究，了解通道内设置折流翅片的换热和流动规律，掌握翅片结构对换热 系数和压降的影响。通过实验得到优化的翅片结构，使其一方面能有效的提高换热 系数，另一方面抑制流动阻力增加适度。因此，对流换热系数，努谢尔特数和流动 阻力系数是我们研究的主要参数。保证准确测得对流换热系数和压降是实验台设计 的关键。 2 2 实验系统 本实验在一个小型吸入式风洞中进行，实验台如图2 1 所示。 图2 1 啵入式风洞实验台 f 睡2 - 1s e t u po n h et u 皿e lu s e di n 圮。x p e r h e n t 为了便于实验，本课题采用了等热流边界条件，实验系统示意图如图2 2 所示， 主要由以下几部分组成。 入厂1 段：为了避免气流在进入实验段时发生较大的分离，影响入口气流的稳定 性，实验中进气口采用喇叭形的进气方式。 性，实验中进气口采用喇叭形的进气方式。 第2 章实验系统戍实验方案 删翟强j 矿 i 区 删素 7 ；_田高厶厶苗3。矗ljo暑鑫时号。i高go五u n 文暑菡 匝艚憾螺峨翻袜n内匝 鄙 酃鳝嚣 鄙丑 酃裂嚣 碰煅器 北京l 、人。孚l 宁帧i 学位论文 整流栅：为保证起始流场均匀和稳定性，在喇叭口后面设置整流栅同时起到一 定地过滤作用。 进口稳定段：为了使通过整流栅的气流进一步均匀和稳定，在整流栅之后设置 一段稳定段。 出口稳定段：为了减少对风道内流场的扰动，使流场易于稳定，并且为了进一 步研究气流流过实验段后的各项物理性质。必须使流体流经测试段后经历一个平稳 的过程。 由于测试段截面与整个风道截面相比较小，为了避免由截面较大的风洞流入截 面较小的测试段而产生的局部阻力损失，在测试段前后分别接了一段与测试段等截 面等长度的通道，该通道用有机玻璃板制作，起到了进出口稳定段的作用，保证流 入和流出测试段的气流稳定以便于各参数的测量。进、出口稳定段与测试段相连的 一侧均装有法兰，可以方便更换测试段。并且对各接口部分进行了密封，以防止漏 气干扰流场影响测量结果。法兰用8 m m 厚的环氧树脂板以及6 m m 厚的有机玻璃板 制作。 调速段：实验中设置调速段以根据实验要求来调节风速，达到实验工况的要求。 调速通过可控硅直流调速装置来实现，其原理是通过改变风机的电枢电压来达到调 速的目的。 保温层：在测试段外面包有2 0m m 厚的石棉布保温层，以减少散热损失。 测试段：实验测试段为本实验的重要组成部分，测试通道为一矩形通道，通道 长三= 3 2 0 m m ，宽= 1 0 0 i l l m ，高有三种情况分别为2 0 m m ，3 0 i i l m ，4 0 m m 。 根据通道高度( 王f = 2 0 ，3 0 ，4 0 m m ) 和翅片尾部高( _ i l = 3 ，4 ，5 ，6 n n ) 以及翅 片材料的不同，本实验共有十五种不同通道。具体尺寸如表2 1 所示。 周期性间断翅片通道结构如图2 3 所示，图2 3 ( a ) 显示了两侧板和基板上翅 片的布置方式。带翅片的上下两板完全相同，基板材料为3 m m 厚的紫铜板。左右侧 扳采用4 m m 厚绝热性能良好的有机玻璃板制作，有机玻璃板与基板交接处开有3 2 m m 的倒槽，通过环氧胶与铜板连接，以保证良好的绝热性和气密性。图2 3 ( b ) 表示测试通道结构侧视图。图2 3 ( c ) 表示折流翅片放大图，翅片迎风侧高6 m m ， 背风侧高 分别取3 ，4 ，5 ，6 m m ，对应的翅片倾角口分别为2 3 2 。，1 6 0 ，8 1 ，o 。 翅片材料当 = 4 ，5 ，6 时只用1 m m 厚的紫铜制作， = 3 时分别用1 m m 厚紫铜和不 锈钢制作，以考察翅片导热性能对换热的影响。翅片沿流向的间距为3 0 m m 。基板和 翅片焊接在一起以保证良好的导热性能。 第2 章实验系统及实验力案 表2l 翅片通道的几何尺、r 1 h b l e2 1g e o m e t r i cs i z eo ft h ef i nc h a n n e l 通道代号排数 列数 宽( 叻( m m )长( ) ( m m )高( m m ) ( m m ) 翅片材料 l1 031 0 03 2 02 03铜 21 031 0 03 2 03 03铜 3l o31 0 03 2 04 03铜 41 031 0 03 2 02 04 铜 51 031 0 03 2 03 04 铜 61 031 0 03 2 04 04 铜 71 03l o o3 2 02 03 不锈钢 81 031 0 03 2 03 03 不锈钢 91 031 0 03 2 04 03 不锈钢 1 01 031 0 03 2 02 05 铜 1 ll o31 0 03 2 03 05 铜 1 21 031 0 03 2 04 05 铜 1 31 031 0 03 2 02 06 铜 1 41 031 0 03 2 03 06 铜 1 51 031 0 03 2 04 06 铜 ( a ) 4 0 流动方自 ( c ) 翅片放大图 图2 3 翅片结构及布置图( 单位：m m ) f i g 2 - 3t h ef i g u r eo ft h ea m n g e m e n ta n dc o n f i g u r a t i o no ft h ef i n 9 此永l 业大学【学坝士等位论文 2 3 测量系统 实验中，风机启动后室内空气经过风机抽吸首先经喇叭形入口进入进口稳定段， 然后到实验测试段。在此空气被加热，然后再经过出口稳定段、调速段最后由风机 引出室外。本实验的目的是来测量通道内的流动换热特性，最终归结为计算通道内 表面与流体之间的对流换热系数的大小。计算对流换热系数除了需要知道壁面上的 热流密度外，还需要知道确切的壁面温度与当地的流体截面平均温度。此外本实验 所需测量的量还有沿程压差、进出口流体温度、气体流速等。测量过程参照了文献 3 0 1 介绍的方法。 2 3 1 流速测量 本实验的流速采用毕托管和斜管微压计来测量。具体方法是将毕托管的总压孔 和静压孔通过橡皮管分别接到斜管微压计的测量端，二者之差再通过伯努力方程得 到需要的流速。测得截面流速后取平均值即可。 2 3 2 温度测量 本实验所需要测量的温度有进出口温度以及壁面温度。进、出口温度由分别布 置在出入口的四对铜一康铜热电偶来测量，最终取其平均值。测试段壁面温度由铺 设在铜基板上的自制的t 型铜一康铜热电偶来测量。由于各测试通道的不同仅在于 其高度不同，强化表面间并无区别，所以热电偶和测压孔的布置是相同的。由于流 动和换热的对称性，实验中采用上板测压下板测温的温度压力测量方式。热电偶采 用庐o 3 唧的铜康铜丝制作，热电偶均在恒温水浴中进行了标定，适用温度范围为 一2 0 0 4 0 0 ，完全满足实验要求。为了准确测量壁温的分布，在下板共铺设1 9 对 热电偶，温度值通过数据采集仪来读取。所有数据采集均在系统达到稳定后进行， 达到稳定的标准由系统的热平衡来决定。热电偶的布置原则是在中间一列翅片的排 中和排间各布置一对热电偶，热电偶的具体布置如图2 - 4 所示。热电偶制作是将热电 偶的两极在点焊机上焊接在一起使其形成直径小于1 唧的小球。其埋设方法是首先 在基板没有翅片的一侧开1 1 6 0 m m 的槽，然后在距边缘5 0 衄的槽中打孔，将热 电偶的焊点放入孔中，热电偶的两极通过槽引出，为了防止两极短路，两极引线上 涂有导热绝缘胶，最后用铅丝封好。 2 3 3 压力测量 测试段的压力采用斜管微压计来测量。具体方法是在测试通道的上板开1 m m 大 小的测压孔，然后将引压管粘接到测压孔上，再用橡皮管将引压管和斜管微压计连 接在一起。待风量稳定后读取数据，从而计算阻力系数。实验中，测压孔只布置在 排间的位置上。对于周期性的流动，压力损失根据各周期对应位置上的压力之差值 第2 章实验系统及实验方案 来确定，所以测压孔按照各周期对应点的位置柬布置，测压孔的布置如图2 5 所示。 图2 - 4 热电偶布置 f i g 2 4a 卸g e m to fi h e 珊a lc 叨p l e 图2 - 5 测压孔布置 f i g 2 - 5a m n g e m e n t0 fp r e 豁u f et e s th o l e 2 3 4 实验加热系统 加热系统示意图见图2 6 。实验段所采用的十五种测试通道均采用上下表面加 热，两侧面绝热的边界条件。实验中由于内壁面设置有翅片，所以将加热带均匀铺 设在基板外表面。二者具有相同的加热量，以保证边界条件的对称性。为了能有效 控制加热量，加热带的两端与自耦变压器相连，加热量的改变通过调节自耦变压器 的输出电压来实现。加热功率的大小由电压和电流来确定。为了保证加热带发出的 热量尽可能多地传给通道内的空气，必须采取有效的保温措施减少热量向环境散失， 实验中在加热带的外面包有石棉布保温层。 2 4 实验研究的具体内容 主要研究通道内设置不同倾角的折流翅片的流动换热情况，改变尺b 数得到不同 工况下的局部m z 数的变化规律，压降的改变情况，平均“数随月e 数的变化关系 北京j 、l p 人。1 产 硕 学位论文 加热兀件 图2 6 加热系统示意图 f i 昏2 - 6s c b e m a t i co f h e a t e ds y s t e m 以及阻力系数随庙数的变化关系。最后采用最小二乘法拟合得出各工况下的实验准 则关联式。 2 5 实验步骤 针对本实验内容，基本实验步骤如下： 1 、上下壁面敷设加热带，进行通道封装，敷设保温层，将封装好的测试通道接 到风洞上。 2 、启动采集系统，风机系统以及加热系统，调节加热量到一个恒定值。 3 、调节流速，以得到实验所需要的最大的船。 4 、待系统稳定后( 稳定的标志是出入口温度不发生变化) 进行数据记录，同时 记录压降读数。出入口温度及壁面温度由数据采集仪自动记录，待一个工况结束保存数据即可。 5 、调整流速得到从大到小不同月e 数条件下的测量参数值。 6 、更换测试通道，重复以上步骤。 2 6 实验数据处理 本论文在数据处理1 ”过程中用到的公式如下。 当量直径： d 。：丝：! ! 丝! !( 2 1 ) pw + h 其中爿、p 分别为无肋截面的面积和湿周，和分别为通道的高和宽。 雷诺数： 第2 章实验系统及实验方案 r e ：生旦 ( 2 2 ) 其中“为通道内的流速；v 为运动粘度，它与动力粘度口和密度的关系为口；p ，； 局部对流换热系数： 2 赢伽2 懈) 眈- 3 其中钆为壁面热流密度，g 。：q 列，q 为流体经过测试段的吸热量。f 。为壁面温度， “为流体截面平均温度，其定义为： 铲甓 协4 ， 其中拟为横截面微元面积；以为流体平均密度；“。为流体平均流速；p 、“、丁分 别为流体局部密度、流速、温度。在本实验中，由于采用恒热流边界条件，所以流 体截面平均温度沿流向呈线性分布，当流动进入充分发展段以后，壁面温度也应按 直线规律分布，所以f 。可按测得的进出口温度f ，和如作直线而得。 t 。+ o ：。) ( 2 5 ) l r、z i ， 本实验中采用了良好的保温措旌，因此在数据处理时近似认为加热带发出的热 量大部分传给通道内的空气。但在实际中因为存在热损失，空气吸热量q 与壁面加 热量之间存在差值，因此定义二者的相对偏差( 热平衡指标) ，7 为： ”。坠里1 0 0 ( 2 6 ) ”一一上u u 了钮 、二。u 7 。 其中，壁面加热量i 归叫u 为加热带两端的电压，为通过加热带的电流) ，流体的 实际吸热量q 根据流体的质量流量和进出口温度按下式计算： q = g c ，o ：。) ( 2 - 7 ) 本实验中，7 值均小于1 0 。 平均对流换热系数： = 圭f i l 。m ( 2 - 8 ) 局部努谢尔特数： m ( x ) ：墼堕 ( 2 - 9 ) 北京i 业人学工学顶十学位论文 其中七为空气的导热系数 平均努谢尔特数： m 。= 三f 慨( x 迅 对于光通道的情形，其平均j v “数采用d i t t u s b o e l t e r 公式计算 盹= 0 0 2 3 r e ”p r ”3 在本实验中采用空气作为流动介质，竹= o 7 。 平均阻力系数： 由达西公式表示的管内的平均流动阻力系数为 ，一者耘 其中幻为周期对应点上的压力降，血为对应点之间的距离。 光通道的阻力系数的定义采用b l a s i u s 公式确定，其定义为： ，0 一o 3 1 6 4 r e “5 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 第3 章实验结果及分析 第3 章实验结果及分析 前面介绍了实验系统及各参数测量方法，本章将对测量结果进行具体分析。对 于换热特性，首先给出局部换热系数，然后讨论翅片倾角和通道高度对平均换热特 性的影响；对于阻力特性主要讨论各通道的阻力系数，随r g 数的变化情况以及通道 高度对压降的影响。最后讨论翅片导热性能对换热的影响，并采用最小二乘法拟合 出平均j “数和平均阻力系数r 随船数变化的经验公式，并对各物理量进行不确定 度分析。 3 1 换热特性 3 1 1 局部n u s s e l t 数分布 在许多换热设备中，仅仅知道平均对流换热系数是不够的，为了保证设备的安 全运行，还需要知道局部对流换热系数的变化情况。图3 1 示出了通道高度月r - 2 0 m m ， 翅片倾角口1 6 0 时局部n u s s e l t 数的沿程分布( 图中x 代表沿流向布置的热电偶的 编号，x = 1 的位置距入口2 5 m m ) 。其他测试通道的局部n u s s c n 分布情况见附录1 。 从图中可以看出，从通道入口段开始( x ) 沿流向逐渐下降，这是因为从入口段开始 边界层厚度沿流向逐渐增大，相应的其热阻也逐渐增大的缘故。经过4 个周期( 图 中相邻的三个点为一个周期) 以后基本进入充分发展段。进入充分发展段后，相同 r e 数下肌( x ) 近似保持为一个常数不再变化，在相同翅片倾角下，m 数增大时，局 部肌t 数整体抬升，说明尺g 数增大时换热增强。图中没有明显的显示出翅片导致的 m f ( x ) 的起伏，这是因为铜基板轴向导热的均化所致。 图3 1h = 2 0 m m 卢- 1 64 局部努谢尔特数分布 f 培3 - 1d i s t r i b u o n so “h e1 0 c a ln u s s e l in u m b e ra t 胙2 0 m m 卢= 1 6 。 北京h l p 人学1 学硕十学位论文 3 1 2 翅片倾角对平均n u s s e l t 数的影响 r e 图3 - 2 充分发展段周期平均 r h 数随j 耗数及翅片倾角卢的变化 f i g 3 - 2v a r i a t i o no ft h ec y c l c - a v e r a g e dn u s s e l tn u m b e ri nt h ef u l l yd e v e l o p e dr e g i o nf o r d i f 6 e r e n tr e y n o l d s 删m b e r 卸df i na l l g l e 1 6 第3 章实验结粜及分析 图3 2 示出了充分发展段的周期平均“数随尺p 数的变化情况，同时为了便于 比较也给出了光通道的值。光通道的j v 数按d i t t u s b o e l t e r 公式计算。由图可以看 到，在所研究的m 数范围内，随着船数的增大强化通道的m h 均显著增大，这是 由于随着r e 数的增加紊流度增强，从而使边界层减薄的缘故。而且所研究的强化通 道与光通道相比强化换热效果都十分明显，在相同船数下，比值j v “。脚最大可达 4 5 ，最小为2 4 。根据m 数的定义，此时比值地枷忱。也就反映了相同质量流量的 约束条件下通道的强化换热效果。翅片倾角对换热也有显著影响，在相同m 数下， 对于所研究的三种通道高度以及所研究的翅片倾角范围，随着翅片倾角的增大m h 单调地增大，说明增大翅片倾角能够有效的强化换热。由于翅片倾角增大时，翅片 对流体产生的扰动作用增强，从而使壁面边界层变薄，传热热阻减小所致，但是这 是以阻力的显著增加为代价的。 3 1 3 通道高度对平均对