自然對(duì)流換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述
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本文介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)定的不同方法及相關(guān)研究的最新發(fā)展?fàn)顩r，重點(diǎn)為自然對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)定。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定與自然對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)定是工科院校傳熱學(xué)課程的兩個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，也是生產(chǎn)生活之中重要的換熱過(guò)程。對(duì)流換熱的研究在我國(guó)研究領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。
正文
自然對(duì)流換熱是指不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動(dòng)，由流體自身溫度場(chǎng)的不均勻性造成流體的流動(dòng)，由此引起的對(duì)流換熱。各種熱工設(shè)備和管道的熱表面向周圍空氣的對(duì)流散熱就是典型的自然對(duì)流換熱的應(yīng)用實(shí)例。由此看來(lái)自然對(duì)流換熱是生產(chǎn)生活中非常普遍又極其重要的換熱過(guò)程。對(duì)流換熱系數(shù)是求解伴有表面對(duì)流換熱的熱傳導(dǎo)問(wèn)題的重要參數(shù)之一，是研究熱工設(shè)備散熱的前提。
朱磊，姜周曙，黃國(guó)輝等人為了更好地研究受熱橫圓管在大空間中的自然對(duì)流換熱現(xiàn)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了橫圓管表面空氣自然對(duì)流換熱測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)采用上下位機(jī)模式，可實(shí)現(xiàn)橫圓管的自然對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)定和準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的驗(yàn)證，采用高精度的數(shù)據(jù)采集板實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量; 并以計(jì)算機(jī)為監(jiān)測(cè)單元，選用. NET Framework 2. 0 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄_(kāi)發(fā)了相應(yīng)的測(cè)控軟件，能實(shí)時(shí)檢測(cè)、記錄、顯示、存儲(chǔ)和處理采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)換熱過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析可加深對(duì)自然對(duì)流換熱過(guò)程的理解。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)具有功能完善、測(cè)量精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了自然對(duì)流換熱測(cè)試的要求。此研究研制成功的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橫圓管的自然對(duì)流過(guò)程監(jiān)測(cè)、換熱系數(shù)測(cè)定和準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式驗(yàn)證等功能。
宋藝新，段遠(yuǎn)源在清華大學(xué)985教學(xué)經(jīng)費(fèi)的支持下, 設(shè)計(jì)和新建了一套橫管外表面的大空間自然對(duì)流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由本體系統(tǒng)、電加熱測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)溫系統(tǒng)3部分組成。此實(shí)驗(yàn)的影響因素很多, 若要得到較理想的實(shí)驗(yàn)精度, 達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果, 必須對(duì)每個(gè)細(xì)節(jié)均加以周密設(shè)計(jì)。為保證實(shí)驗(yàn)管段為自然對(duì)流實(shí)驗(yàn)條件, 首先必須盡可能地減少外界對(duì)實(shí)驗(yàn)管段的影響。宋藝新，段遠(yuǎn)源將實(shí)驗(yàn)室從空間上隔斷為實(shí)驗(yàn)本體室和控制測(cè)量室兩部分, 在實(shí)驗(yàn)本體室中僅布置了實(shí)驗(yàn)管和冰瓶, 實(shí)驗(yàn)期間無(wú)人員進(jìn)出; 所有的測(cè) 量信號(hào)以及加熱控制等均通過(guò)導(dǎo)線引出, 在控制測(cè)量室中完成。實(shí)驗(yàn)本體室與控制測(cè)量室之間使用直達(dá)天棚的鋁合金門窗隔斷, 對(duì)鋁合金門還進(jìn)行了專門的密封處理。為保證實(shí)驗(yàn)本體室的絕對(duì)密封, 使外界的環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)管沒(méi)有干擾, 對(duì)實(shí)驗(yàn)本體室采取了如下措施: 在原本雙層玻璃窗的內(nèi)側(cè)又加裝一層 5毫米厚的玻璃將窗戶封死; 在暖氣管道上加裝閥門, 供暖季節(jié)實(shí)驗(yàn)時(shí)可截?cái)啾緦?shí)驗(yàn)室的暖氣避免干擾, 在閥門前端的暖氣管道外表面加裝了較厚的保溫層; 在通過(guò)室內(nèi)的一根自來(lái)水管表面加裝了保溫層。此測(cè)試系統(tǒng)采用了一些新的實(shí)驗(yàn)技術(shù), 提高了實(shí)驗(yàn)精度, 達(dá)到了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理,實(shí)驗(yàn)臺(tái)的 8 根加熱管可同時(shí)加熱, 也可分別加熱, 組合靈活。實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有使用安全、維修、安裝方便的特點(diǎn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和比較表明, 本系統(tǒng)具有較高精度, 可滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。
管寧，劉志剛，梁世強(qiáng)，張承武等人為了研究微尺度圓柱表面的自然對(duì)流換熱的機(jī)理,，對(duì)水平放置在空氣中的微細(xì)金屬絲( 外徑為 3919~ 35011Lm) 的自然對(duì)流換熱進(jìn)行了研究。 數(shù)值模擬采用二維不可壓模型,，對(duì)浮升力項(xiàng)用 Boussinesq 假設(shè)進(jìn)行處 理，并使用 SIMPLER 算法進(jìn)行求解,，考慮了浮力、貼壁層厚度及邊緣效應(yīng)對(duì)微自然對(duì)流換熱的影響.。實(shí)驗(yàn)采用焦耳加熱的方法獲得了 Nusselt 數(shù)( N u)，并將數(shù)值模擬得到的結(jié)果分別與經(jīng)典關(guān)聯(lián)式、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性.。研究結(jié)果表明: 隨著微細(xì)金屬絲直徑的減小，表面自然對(duì)流換熱系數(shù)在增大,這可能是由于尺度的縮小,使得微細(xì)金屬絲的邊緣效應(yīng)加強(qiáng)，貼壁層變薄，從而強(qiáng)化了換熱；而 Nu 則先減小后增大,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算值的差別也隨著直徑的減小而增大。
張榮華，聶恒敬等人提出了一種測(cè)定對(duì)流換熱系數(shù)的新方法 此方法是以傳熱學(xué)中非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱求解法中的數(shù)學(xué)分析法集總參數(shù)分析法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的特定環(huán)境下的對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)定方法，此文全面分析了各因素對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)精度的影響，并進(jìn)行了定量分析。此方法簡(jiǎn)便可靠，在一般條件下誤差不超過(guò)1.6%。
熱傳導(dǎo)熱對(duì)流和熱輻射一般情況下并不是獨(dú)立存在的，熱傳導(dǎo)時(shí)常伴有表面對(duì)流換熱。 此研究的是機(jī)械零件內(nèi)非等溫場(chǎng)及其變形的研究的一部分內(nèi)容。其中的熱傳遞現(xiàn)象是導(dǎo)熱 對(duì)流系統(tǒng)。為了確定機(jī)械零件內(nèi)的非等溫場(chǎng)，表面對(duì)流換熱系數(shù)h 是必需的參數(shù)之一。此研究采用了實(shí)驗(yàn)法以求得此參數(shù)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)法是以確定準(zhǔn)則方程式的函數(shù)關(guān)系為主要內(nèi)容。若采用傳統(tǒng)的方法就顯得過(guò)于復(fù)雜，因此，設(shè)計(jì)了這種以集總參數(shù)分析法為基礎(chǔ)的對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)定方法，即把導(dǎo)熱體看成集總體，使得導(dǎo)熱體的溫度T只是時(shí)間t的函數(shù)，對(duì)特定環(huán)境條件下對(duì)流換熱系數(shù)的獲得提供了一種方便有效的方法。
總結(jié)
對(duì)流傳熱在工程技術(shù)中非常重要。許多工業(yè)部門中經(jīng)常遇到兩流體之間或流體與壁面之間的熱交換問(wèn)題，這類問(wèn)題需用對(duì)流傳熱的理論予以解決。在對(duì)流傳熱過(guò)程中，除熱的流動(dòng)外，還涉及到流體的運(yùn)動(dòng)，溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)將會(huì)發(fā)生相互作用。對(duì)于不同情景下的對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)定，我國(guó)研究人員已經(jīng)提出了多種不同的方法，對(duì)對(duì)流換熱也總結(jié)了許多通用的經(jīng)驗(yàn)公式，到現(xiàn)在已經(jīng)基本上能夠滿足工程實(shí)際的需要。
參考文獻(xiàn)
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