混合对流竖直腔体内的温度均匀度研究 杨光.docVIP

中国工程热物理学会传热传质学 学术会议论文编号143197 混合对流温度均匀度研究( 杨光，吴静怡，何奕为，张晋晋 （上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240） (Tel Email: y_g@sjtu.edu.cn) 摘要：×107≤ Gr ≤ 3.54×107，6006 ≤ Re ≤ 9009以及Pr = 0.71的条件下，混合对流传热矩形腔体内的 关键词：混合对流，浮升力，温度均匀度，实验研究 0引言 温度均匀度是恒温恒湿箱、热循环试验装置、冷冻储藏等人工高低温环境系统的关键控制指标之一[1,2]。温度均匀度超过允许偏差将影响相关样品或设备的质量，或者影响热循环试验的可靠性和再现性[3]。为了保证高低温环境系统的传热效率，其升降温过程大多通过强制对流实现。当流体的流量较小或者温差较大时，由浮升力导致的自然对流将会对流动和传热过程产生不容忽视的影响，这也为系统温度均匀度的控制和预测带来了更大的难度。因此，研究混合对流（强制对流和自然对流综合作用）传热下的温度均匀度特性有很大的理论与实际意义。 当前，对于混合对流机理下的流动传热问题的相关研究已日趋完善。Jackson 等[]对竖直方向混合对流的研究进行了较为全面的综述；许多学者对混合对流条件下的流场特性、传热系数、摩擦阻力等规律进行了研究[5-6]然而对传热过程中流场温度均匀度的定量描述则少见报导。在本课题组之前的研究中，以数值模拟和实验方法定量地分析了×105, Gr = ±3.36×1012)混合对流过程中三维矩形腔体内温度均匀度的发展规律[]。 本文在研究的基础上，实验探索矩形腔体内的温度均匀度特性温度均匀度的定量影响规律，为相关系统的设计与优化提供理论依据。 1实验方法与数据处理 1.1实验系统 混合对流传热实验台如图1（a）所示。空气在风机的驱动下，通过干燥和过滤装置，并经过扩散段、稳定段和收缩段后进入测试段。系统的风量风阀控制，并涡街流量计进行计量。测试段包括方形截面的空气腔外围环形截面的冷水腔空气腔与水腔的交界面0.5mm厚不锈钢板并在空气侧进行抛光处理。水腔外壁面3mm厚不锈钢板，并覆以保温材料。系统中的冷水为闭式循环回路，在恒温水箱中进行制冷，利用循环水泵输到测试段的水腔中，返回到恒温水箱。为了研究气体在均匀恒温壁面条件下的换热情况，在测试段侧面对称设置四个冷水入口和出口，并提供足够大的制冷功率和循环水流量以保证冷水最大温差不超过0.5K。 图1 实验装置 测试段空气腔体内的坐标系的建立以及内部温度传感器的布置位置如图所示，[8]的要求，将15个铂电阻温度计分别布置于距壁面10%的位置以及腔体中心。两个温度计布置于空气入口处，四个温度计布置于水-空气交界壁面上的不同位置（图中未标出）。在壁面中心处安装薄膜型热流传感器，以监测热流密度。测试段入口平面上流速偏差小于10%，湍流度小于5%。 1.2数据处理 对于混合对流传热，从控制方程[5]可以得出，系统内的流动和传热特性由Reynolds数、Prandtl数和Richardson数决定： , , , 其中v∞为空气入口流速，可以根据流量计的测量值换算；Tw和T∞分别为壁面温度和入口温度；L为测试段空气腔横截面长度。 （1） 在入口处和壁面处的温度值则分别为为θ∞ = 0和θw = 1。腔体内部平均温度： （2） 腔体内温度均匀度σ表示，并按照下式进行计算： （） 按照式()计算的σ值越大，则系统内的温度越不均匀。壁面中心的局部Nusselt数可以根据热流传感器测量的热流密度进行计算： （） 为了验证实验数据的可靠性，按照文献[]的方法进行不确定度分析，计算得Reynolds数和Grashof数的不确定分别为±5%和±6%，Nusselt数的不确定度约为±6%。 2结果与讨论 在实验过程中，×107 ≤ Gr ≤ 3.54×107和6006 ≤ Re ≤ 9009范围内，则Richardson数的范围为-0.65 ≤ Ri ≤ 0.98，为混合对流机理传热。图2为在不同的Grashof数和Reynolds数下腔体内平均温度的变化情况。当浮升力的方向与流动方向相同时（Gr 0），腔体内的平均温度高于当浮升力的方向与流动方向相反时（Gr 0）的情形。对于Re = 6006 和 9009，随着Grashof数从Gr = -2.35×107 增加到 Gr = 3.54×107，腔体内的平均温度分别提高20.3%和17.2%。其原因在于同向的浮升力对壁面处流体起到加速作用，从而增加了壁面和流体间的传热，最终导致了流体平均温度的升高；相反地，逆向的浮升力抑制了壁面处流体的流动，从而减弱了壁面和流体间的传热，最终导致了