低Ra数下热线外的自然对流特性研究-动力工程及工程热物理专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 中文摘要 目前对微尺度热线外的自然对流，尤其是在较低 Ra 数下的自然对流换热特 性仍存在一些争议，不同学者给出了不尽相同的 Nu 数预测准则关系式，实验结 果与理论求解也有较大的差距，至今为止还没有一个普遍接受的结论，进一步获 得一些可靠的实验数据，对揭示微尺度结构下的传热传质规律有重要的理论指导 意义。 本文通过对微细热线外自然对流国内外相关研究文献的调研基础上，就以下 几方面进行了进一步研究，首先，流体是否存在由导热到自然对流的过渡问题， 其次，由导热过渡到自然对流的条件是什么，最后，探索造成在低 Ra 数下实验 结果与理论求解较大差距的可能原因。 本文建立了直流电加热微细铂丝外自然对流传热系数的实验测试系统，以高 纯度去离子水和 50cs 硅油为工质，铂丝直径选用?20.1μm、?50.8μm 的两个规格， 为提高实验精度采用瞬态热线法测导热系数中的实验铂丝自测流体温度的方法， 获得 Ra 数与 Nu 数的关系曲线，通过对比水平与竖直热线外的自然对流传热的 Ra-Nu 关系式获得自然对流启动的临界 Rac 数，并通过高频测量手段佐证了实验 现象。 实验结果表明：以水为介质条件下，对?50.8μm 直径的微细热线，当 Ra 数 约为 5.0?10-4 时，热线外水的换热模式出现自然对流的启动，对?20.1μm 直径的 微细热线 Ra 数约为 1.0?10-4，此时的 Nu 数也是局部最小值，并接近 Tsubouchi 的理论极限值 0.36。在实验 Ra 数范围内(1.0?10-5Ra1.0?10-1)，实验测得的 Nu 数也不是趋近于傅里叶导热定律中的理想极限值，而是出现 Ra 数与 Nu 数负相 关现象，但 50cs 硅油的实验未出现上述现象，仍符合自然对流换热，水平热线 Nu 数高于竖直热线 Nu 数，且随 Ra 数减小而不断趋近，分析造成水中实验现象 的原因可能与尺度效应和工质特性有关，微尺度力引起铂丝振动。 采用 Fluent 软件数值模拟了热线外低 Ra 数(0Ra1.0?10-1)自然对流与低振 动 Re 数工况下振动热线外换热特性，发现在无振动条件下，水平与竖直热线外 自然对流 Nu 数随 Ra 数减小而降低，水平热线 Nu 数高于竖直热线，两热线的 Nu 数都趋近于导热工况时的 0，而在低 Re 数振动条件下，Nu 与 Re 数无关，而 与 Ra 数正相关，低于 Rec 数下模拟结果的 Ra-Nu 曲线与 50cs 硅油实验测试结果 几乎完全一致。 最后，根据实验中存在的不足之处，提出了改进建议，并展望了课题后续研 究的计划。 I 关键词：自然对流；导热；热线；低 Ra 数；Fluent II Abstract Up to date, the existing correlations for Nusselt number prediction of heated wire are not consistent or accepted in public, especially at very low Ra number. Firstly, it’s still not sure whether the heat transfer at a very low Ra number is in a state of conduction or natural convection. Secondly, when Ra number is infinitely small, or approaching to zero , the Nu number also become zero as well? or a limited number? At last, what is the main reason for the difference between those experimental data and the theoretical solution. In order to resolve these raised problems above, an experimental study was conducted for Joule heated wire in fluids covering a low Ra number range from conduction to convection in the paper. The initial fluids’ temperature was measured by the fine platinum wire itself circulating with a low electric current in o