大Ra数下水平对流中传热和温度剖面的实验测量
发布时间：2022-01-21 23:01
水平温差引起的自然对流现象广泛存在于自然界中,为了研究这种复杂的自然现象,抽象简化出水平对流模型。水平对流模型的热源和冷源处于同一等势面。实验系统由热板提供恒定的热源,冷板提供恒定的冷源。热源附近流体被加热,流体上升,然后驱动水平对流系统内产生大尺度的环流。前人对水平对流的研究其Ra数范围均小于1012。为了研究较大Ra下水平对流的相关特性,本文在长宽比为10,长度为2 m的实验装置进行实验测量,Ra数范围在2.75×1012到1.25×1013。本文在较大Ra数条件下测量了水平对流系统中的整体传热和温度剖面结构。实验发现在不同Ra数下,冷源上方的温度剖面经过无量纲处理后具有自相似的特点,并且该温度结构形态可以用改进的Prandtl-Blasius模型进行描述。实验测量了热源上方的温度剖面,发现无量纲温度剖面随着Ra数的增加,从有低温区的空间结构逐渐转变为无低温区的空间结构。这种结构转变意味着系统内流动状态的变化。水平对流系统的传热同样存在状态转变,表征对流传热强度的无量纲准则数Nu数与Ra数的标度率逐渐从1/4转变为1...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
沿地球经向的大尺度水平对流水平对流这种沿同一重力等势面施加的浮力梯度驱动的大尺度流动在地球物理和工业应用中起着至关重要的作用
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4实验装置，则循环遵循什么标度率关系。这也是本课题着眼的重点，在大Ra数和大尺寸实验装置观察水平对流现象。因为Pr数对水平对流传热也存在一定影响。Grambery等人[22]考虑到玻璃工业中熔化的玻璃其Pr数很大，于是对大Pr数时的水平对流运动进行研究。实验流体从上方加热。随着Ra的增大，Rossby标度率再次被发现。Chiu-Webster等人[23]也研究了与非常粘稠流体，即Pr数无限大时的情况，同样通过研究玻璃熔炉中的对流来实现，该研究在实验侧面和底部保证绝热条件，顶部具有线性温度梯度。实验在大范围纵横比和大范围Ra数的稳态条件下进行，并找到了从小Ra数到大Ra数的过渡的通用标度。在大Ra数时，顶部边界层厚度为Ra-1/5，全局传热标度率为Ra1/5。图1-2Ra数和Pr数相图[27]对与水平对流系统主要响应参数的研究目前在低Ra数下得到了较为精确的数值模拟结果[24-26]。Shishkina等人[27]研究了关于雷诺数（Re）和Nu对层流HC中Ra和Pr的依赖性的DNS结果。他们利用层流热对流的相关理论，即时间和体积平均的热能和粘性耗散率主要由它们的边界层（BL）贡献决定。对于层流水平对流，发现Re~Ra2/5Pr-4/5，Nu~Ra1/5Pr1/10转变为Re~Ra1/2Pr-1，Nu~Ra1/4。其数值模拟的范围为：Pr为0.5至50，Ra的范围为108至1010。所获得的结果与Grossmann-Lohse理论[28]（GL理论）应用于层流水平对流的情况一致。Grossmann和Lohse[28]提出了着名的GL模型，该理论在较大的Ra数和Pr数范围内，用Ra数和Pr数来预测Nu和Re数的变化，也就是考虑这两组参数之间的函数关系。GL模型是基于RB对流系统中能量耗散率u和温度耗散率得到的。GL模型认为边界层和湍流主流区对热耗散的贡献是不一
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文11b）图2-1a）实验装置示意图b）实验装置实物图因为实验需要的测量时间非常长，所以需要考虑外界环境温度对实验系统的影响。为了保证水平对流系统内部温度的稳定，首先需要保证环境温度的稳定。有温差存在必然会导致传热。为了减少系统向环境漏热，应该保证环境温度尽可能与实验系统主流区温度一致。基于以上两点的考量，我们搭建恒温箱，将水平对流实验装置放置于恒温箱中，能够保证恒温箱处于较为稳定的环境，且减少了向环境的漏热。恒温箱由1cm厚的有机玻璃板构造而成，为了保证其内部温度恒定，外部包裹绝热材料。恒温箱内部铺设蛇形盘管，盘管与循环水浴相连。恒温箱内部放置温度探头，可以对恒温箱内的温度进行测量，然后通过调节水浴的温度，改变蛇形盘管内的水温，从而达到控制恒温箱温度与系统主流温度一致。2.4温度探头的制作和校核2.4.1温度探头的制作水平对流系统的实验测量将用到两种不同尺寸的温度探头，温度探头是由热敏电阻制作而成。两种温度探头都是由Honeywell公司生产，这两种热敏电阻头部用玻璃进行封装，具有很好的封水和绝缘性。其中一种珠状热敏电阻的玻璃囊外径为1.2mm。制作该型号的温度探头需要首先将热敏电阻的引脚和导线焊接到一起，由于这种热敏电阻的引脚较粗，具有一定的强度，所以可以焊接后可以用热缩管在引脚处进行绝缘，然后再用硅胶在热缩管两端进行封装。冷板和热板上加工的孔径为3mm，制作完成后的温度电阻完全可以插入冷热板中进行测量，且不易损坏，方便移动。所以这种型号的温度探头用来测量冷热板和恒温箱温度完全可以满足要求。另一种是直径0.36mm的热敏电阻。这种热敏电阻头部同样为玻璃封装，大致为球形。但是该型号的热敏电阻尺寸很小，很难进行操作
【参考文献】：
期刊论文
[1]湍流热对流中的动力学和传热研究[J]. 郗恒东,孙超,夏克青. 物理. 2006(04)
硕士论文
[1]水平热对流温度边界层空间结构及统计性质的实验研究[D]. 顾姣燕.哈尔滨工业大学 2019
[2]水平热对流热传输及温度剖面的实验测量[D]. 鄢博.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3601118
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
沿地球经向的大尺度水平对流水平对流这种沿同一重力等势面施加的浮力梯度驱动的大尺度流动在地球物理和工业应用中起着至关重要的作用
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4实验装置，则循环遵循什么标度率关系。这也是本课题着眼的重点，在大Ra数和大尺寸实验装置观察水平对流现象。因为Pr数对水平对流传热也存在一定影响。Grambery等人[22]考虑到玻璃工业中熔化的玻璃其Pr数很大，于是对大Pr数时的水平对流运动进行研究。实验流体从上方加热。随着Ra的增大，Rossby标度率再次被发现。Chiu-Webster等人[23]也研究了与非常粘稠流体，即Pr数无限大时的情况，同样通过研究玻璃熔炉中的对流来实现，该研究在实验侧面和底部保证绝热条件，顶部具有线性温度梯度。实验在大范围纵横比和大范围Ra数的稳态条件下进行，并找到了从小Ra数到大Ra数的过渡的通用标度。在大Ra数时，顶部边界层厚度为Ra-1/5，全局传热标度率为Ra1/5。图1-2Ra数和Pr数相图[27]对与水平对流系统主要响应参数的研究目前在低Ra数下得到了较为精确的数值模拟结果[24-26]。Shishkina等人[27]研究了关于雷诺数（Re）和Nu对层流HC中Ra和Pr的依赖性的DNS结果。他们利用层流热对流的相关理论，即时间和体积平均的热能和粘性耗散率主要由它们的边界层（BL）贡献决定。对于层流水平对流，发现Re~Ra2/5Pr-4/5，Nu~Ra1/5Pr1/10转变为Re~Ra1/2Pr-1，Nu~Ra1/4。其数值模拟的范围为：Pr为0.5至50，Ra的范围为108至1010。所获得的结果与Grossmann-Lohse理论[28]（GL理论）应用于层流水平对流的情况一致。Grossmann和Lohse[28]提出了着名的GL模型，该理论在较大的Ra数和Pr数范围内，用Ra数和Pr数来预测Nu和Re数的变化，也就是考虑这两组参数之间的函数关系。GL模型是基于RB对流系统中能量耗散率u和温度耗散率得到的。GL模型认为边界层和湍流主流区对热耗散的贡献是不一
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文11b）图2-1a）实验装置示意图b）实验装置实物图因为实验需要的测量时间非常长，所以需要考虑外界环境温度对实验系统的影响。为了保证水平对流系统内部温度的稳定，首先需要保证环境温度的稳定。有温差存在必然会导致传热。为了减少系统向环境漏热，应该保证环境温度尽可能与实验系统主流区温度一致。基于以上两点的考量，我们搭建恒温箱，将水平对流实验装置放置于恒温箱中，能够保证恒温箱处于较为稳定的环境，且减少了向环境的漏热。恒温箱由1cm厚的有机玻璃板构造而成，为了保证其内部温度恒定，外部包裹绝热材料。恒温箱内部铺设蛇形盘管，盘管与循环水浴相连。恒温箱内部放置温度探头，可以对恒温箱内的温度进行测量，然后通过调节水浴的温度，改变蛇形盘管内的水温，从而达到控制恒温箱温度与系统主流温度一致。2.4温度探头的制作和校核2.4.1温度探头的制作水平对流系统的实验测量将用到两种不同尺寸的温度探头，温度探头是由热敏电阻制作而成。两种温度探头都是由Honeywell公司生产，这两种热敏电阻头部用玻璃进行封装，具有很好的封水和绝缘性。其中一种珠状热敏电阻的玻璃囊外径为1.2mm。制作该型号的温度探头需要首先将热敏电阻的引脚和导线焊接到一起，由于这种热敏电阻的引脚较粗，具有一定的强度，所以可以焊接后可以用热缩管在引脚处进行绝缘，然后再用硅胶在热缩管两端进行封装。冷板和热板上加工的孔径为3mm，制作完成后的温度电阻完全可以插入冷热板中进行测量，且不易损坏，方便移动。所以这种型号的温度探头用来测量冷热板和恒温箱温度完全可以满足要求。另一种是直径0.36mm的热敏电阻。这种热敏电阻头部同样为玻璃封装，大致为球形。但是该型号的热敏电阻尺寸很小，很难进行操作
【参考文献】：
期刊论文
[1]湍流热对流中的动力学和传热研究[J]. 郗恒东,孙超,夏克青. 物理. 2006(04)
硕士论文
[1]水平热对流温度边界层空间结构及统计性质的实验研究[D]. 顾姣燕.哈尔滨工业大学 2019
[2]水平热对流热传输及温度剖面的实验测量[D]. 鄢博.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3601118
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