具有内置翅片的封闭腔内湍流自然对流传热特性研究

发布时间：2020-08-11 08:31

【摘要】：自然对流换热过程广泛存在于各种工业生产及工艺处理中。其中,对侧壁加热封闭腔内自然对流传热特性的研究有诸多的工业需求,相关的研究一直以来是流动与传热领域的热点。在封闭腔内壁上布置翅片,通过影响边界层结构及发展来模拟封闭空间中电子元器件的冷却问题,对于优化工业设计、延长电子元器件的使用寿命具有重要的研究价值。本文基于这样的工程应用背景,就封闭腔内侧壁布置矩形翅片的数量、位置、材质、内置热源等对腔内自然对流与辐射耦合传热的综合影响进行了研究(Rα=1.58×10~9)。本文所做的主要工作如下:(1)利用IFA300型热线风速仪和热电偶同时测试测点的平均速度和平均温度,获得自壁面向腔体核心区速度和温度分布随高度的变化情况,结果表明:平均温度随高度的增加而逐渐升高,速度边界层和温度边界层沿壁面向上逐渐变厚。(2)数值分析了单个导热翅片和绝热翅片位于热壁面不同位置时对腔体内部对流和传热的影响。结果表明:封闭腔内无热源和有内置热源两种情况下,导热翅片位于自底面沿热壁面向上1/3高度处时,热壁面平均Nu数最大,壁面与腔体内部的传热效率最高,腔体内部流体的对流换热能力最强;绝热翅片位于自底面沿热壁面向上1/6高度处时,热壁面平均Nu数最大,壁面与腔体内部的传热效率最高,腔体内部流体的对流换热能力最强。(3)在热壁面、冷壁面分别布置一个翅片,数值分析了翅片位置、翅片材质对腔体内部对流和传热的影响。结果表明:封闭腔内无热源和有内置热源两种情况下,无论导热翅片还是绝热翅片,当翅片位于热壁面1/3高度处、冷壁面2/3高度处时,热壁面平均Nu数最大,壁面与腔体内部的传热效率最高,腔体内部流体的对流换热能力最强。(4)导热翅片位于热壁面1/3高度处时,随着壁面发射率增大,腔体半宽度处沿高度方向竖向速度变化幅度增大,腔体半高度处冷壁面附近水平速度变化不大,但热壁面附近水平速度逐渐变大;辐射对腔体半宽度处沿高度方向水平速度、平均温度的分布影响很微弱,但与不考虑辐射的情况相比,水平速度在顶面和底面附近的波谷值和波峰值相对较大,平均温度在底面附近明显升高;考虑辐射时热壁面下部区域的局部剪应力比不考虑辐射时要小。随着壁面发射率的增大,热壁面上部区域局部剪应力逐渐增大,且增大的幅度逐渐变小。当壁面发射率分别为0、0.3、0.6和0.9时,热壁面平均Nu数分别为84.14、117.75、158.65和206.12。(5)热壁面1/3高度处、冷壁面2/3高度处各布置一个导热翅片时,壁面发射率为0.6情况下,腔体半宽度处正的竖向速度较不考虑辐射时有明显的提高;当壁面发射率为0.9时,腔体半宽度处负的竖向速度较不考虑辐射时有明显的提高;考虑辐射时,腔体半宽度处沿高度方向水平速度、平均温度变化趋势基本一致,但与不考虑辐射的情况相比,水平速度在顶面和底面附近的波谷值和波峰值相对较大,底面附近的平均温度有明显升高的趋势;不同壁面发射率时腔体半高度处沿水平方向竖向速度、水平速度的变化趋势基本一致;考虑辐射时热壁面下部区域局部剪应力比不考虑辐射时要小,上部区域局部剪应力相对较大;当壁面发射率分别为0、0.3、0.6和0.9时,热壁面平均Nu数分别为88.17、124.40、165.16和212.69。本文初步研究了矩形翅片位置和数量、内热源、翅片材质以及壁面发射率对封闭腔内空气湍流自然对流传热特性的影响,但是要获得准确、实用的研究结果,还需做进一步的实验研究工作。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124;O357.5
【图文】：

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图 2.1 实验测试系统1 测试系统图 2.2 为封闭腔内湍流自然对流实验测试系统示意图，用高、低温恒温水浴控水腔温度，高温恒温面维持在 70℃，低温恒温面维持在 30℃，水平面为导热边面近似为绝热边界。水腔内侧壁高温面附近空气受热上升，内侧壁低温面附近，在腔体内形成自然对流。湍流自然对流实验中需要获得测试腔内速度场、温体高度方向的分布规律。

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图 2.2 实验测试系统示意图内的位移通过三维直角坐标架来控制，而测试腔体侧表面间辐射影响，在腔体内表面（包括盖板内表面）者无法观察到探针在腔体内的运动过程及具体位置。献中数值为 0.2mm）才能获得边界层内更详细的流速架控制精度限制以及实验台系统机械配合误差等影响到腔体壁面上，造成探针端部钨丝断裂。无论是重新，会耗费大量的人力、物力、财力和时间。鉴于此，碰撞控制系统，如图 2.3 所示。该系统成本低、可靠展以及降低探针坏损率起到了重要作用。

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图 2.2 实验测试系统示意图的位移通过三维直角坐标架来控制，而测试腔体侧面间辐射影响，在腔体内表面（包括盖板内表面无法观察到探针在腔体内的运动过程及具体位置中数值为 0.2mm）才能获得边界层内更详细的流控制精度限制以及实验台系统机械配合误差等影腔体壁面上，造成探针端部钨丝断裂。无论是重新会耗费大量的人力、物力、财力和时间。鉴于此，撞控制系统，如图 2.3 所示。该系统成本低、可靠以及降低探针坏损率起到了重要作用。

【参考文献】