【摘要】：自然對流換熱過程廣泛存在于各種工業(yè)生產(chǎn)及工藝處理中。其中,對側(cè)壁加熱封閉腔內(nèi)自然對流傳熱特性的研究有諸多的工業(yè)需求,相關(guān)的研究一直以來是流動與傳熱領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在封閉腔內(nèi)壁上布置翅片,通過影響邊界層結(jié)構(gòu)及發(fā)展來模擬封閉空間中電子元器件的冷卻問題,對于優(yōu)化工業(yè)設(shè)計(jì)、延長電子元器件的使用壽命具有重要的研究價值。本文基于這樣的工程應(yīng)用背景,就封閉腔內(nèi)側(cè)壁布置矩形翅片的數(shù)量、位置、材質(zhì)、內(nèi)置熱源等對腔內(nèi)自然對流與輻射耦合傳熱的綜合影響進(jìn)行了研究(Rα=1.58×10~9)。本文所做的主要工作如下:(1)利用IFA300型熱線風(fēng)速儀和熱電偶同時測試測點(diǎn)的平均速度和平均溫度,獲得自壁面向腔體核心區(qū)速度和溫度分布隨高度的變化情況,結(jié)果表明:平均溫度隨高度的增加而逐漸升高,速度邊界層和溫度邊界層沿壁面向上逐漸變厚。(2)數(shù)值分析了單個導(dǎo)熱翅片和絕熱翅片位于熱壁面不同位置時對腔體內(nèi)部對流和傳熱的影響。結(jié)果表明:封閉腔內(nèi)無熱源和有內(nèi)置熱源兩種情況下,導(dǎo)熱翅片位于自底面沿?zé)岜诿嫦蛏?/3高度處時,熱壁面平均Nu數(shù)最大,壁面與腔體內(nèi)部的傳熱效率最高,腔體內(nèi)部流體的對流換熱能力最強(qiáng);絕熱翅片位于自底面沿?zé)岜诿嫦蛏?/6高度處時,熱壁面平均Nu數(shù)最大,壁面與腔體內(nèi)部的傳熱效率最高,腔體內(nèi)部流體的對流換熱能力最強(qiáng)。(3)在熱壁面、冷壁面分別布置一個翅片,數(shù)值分析了翅片位置、翅片材質(zhì)對腔體內(nèi)部對流和傳熱的影響。結(jié)果表明:封閉腔內(nèi)無熱源和有內(nèi)置熱源兩種情況下,無論導(dǎo)熱翅片還是絕熱翅片,當(dāng)翅片位于熱壁面1/3高度處、冷壁面2/3高度處時,熱壁面平均Nu數(shù)最大,壁面與腔體內(nèi)部的傳熱效率最高,腔體內(nèi)部流體的對流換熱能力最強(qiáng)。(4)導(dǎo)熱翅片位于熱壁面1/3高度處時,隨著壁面發(fā)射率增大,腔體半寬度處沿高度方向豎向速度變化幅度增大,腔體半高度處冷壁面附近水平速度變化不大,但熱壁面附近水平速度逐漸變大;輻射對腔體半寬度處沿高度方向水平速度、平均溫度的分布影響很微弱,但與不考慮輻射的情況相比,水平速度在頂面和底面附近的波谷值和波峰值相對較大,平均溫度在底面附近明顯升高;考慮輻射時熱壁面下部區(qū)域的局部剪應(yīng)力比不考慮輻射時要小。隨著壁面發(fā)射率的增大,熱壁面上部區(qū)域局部剪應(yīng)力逐漸增大,且增大的幅度逐漸變小。當(dāng)壁面發(fā)射率分別為0、0.3、0.6和0.9時,熱壁面平均Nu數(shù)分別為84.14、117.75、158.65和206.12。(5)熱壁面1/3高度處、冷壁面2/3高度處各布置一個導(dǎo)熱翅片時,壁面發(fā)射率為0.6情況下,腔體半寬度處正的豎向速度較不考慮輻射時有明顯的提高;當(dāng)壁面發(fā)射率為0.9時,腔體半寬度處負(fù)的豎向速度較不考慮輻射時有明顯的提高;考慮輻射時,腔體半寬度處沿高度方向水平速度、平均溫度變化趨勢基本一致,但與不考慮輻射的情況相比,水平速度在頂面和底面附近的波谷值和波峰值相對較大,底面附近的平均溫度有明顯升高的趨勢;不同壁面發(fā)射率時腔體半高度處沿水平方向豎向速度、水平速度的變化趨勢基本一致;考慮輻射時熱壁面下部區(qū)域局部剪應(yīng)力比不考慮輻射時要小,上部區(qū)域局部剪應(yīng)力相對較大;當(dāng)壁面發(fā)射率分別為0、0.3、0.6和0.9時,熱壁面平均Nu數(shù)分別為88.17、124.40、165.16和212.69。本文初步研究了矩形翅片位置和數(shù)量、內(nèi)熱源、翅片材質(zhì)以及壁面發(fā)射率對封閉腔內(nèi)空氣湍流自然對流傳熱特性的影響,但是要獲得準(zhǔn)確、實(shí)用的研究結(jié)果,還需做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究工作。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124;O357.5
【圖文】：

圖 2.1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)1 測試系統(tǒng)圖 2.2 為封閉腔內(nèi)湍流自然對流實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)示意圖，用高、低溫恒溫水浴控水腔溫度，高溫恒溫面維持在 70℃，低溫恒溫面維持在 30℃，水平面為導(dǎo)熱邊面近似為絕熱邊界。水腔內(nèi)側(cè)壁高溫面附近空氣受熱上升，內(nèi)側(cè)壁低溫面附近，在腔體內(nèi)形成自然對流。湍流自然對流實(shí)驗(yàn)中需要獲得測試腔內(nèi)速度場、溫體高度方向的分布規(guī)律。

圖 2.2 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)示意圖內(nèi)的位移通過三維直角坐標(biāo)架來控制，而測試腔體側(cè)表面間輻射影響，在腔體內(nèi)表面（包括蓋板內(nèi)表面）者無法觀察到探針在腔體內(nèi)的運(yùn)動過程及具體位置。獻(xiàn)中數(shù)值為 0.2mm）才能獲得邊界層內(nèi)更詳細(xì)的流速架控制精度限制以及實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)機(jī)械配合誤差等影響到腔體壁面上，造成探針端部鎢絲斷裂。無論是重新，會耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力和時間。鑒于此，碰撞控制系統(tǒng)，如圖 2.3 所示。該系統(tǒng)成本低、可靠展以及降低探針壞損率起到了重要作用。

圖 2.2 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)示意圖的位移通過三維直角坐標(biāo)架來控制，而測試腔體側(cè)面間輻射影響，在腔體內(nèi)表面（包括蓋板內(nèi)表面無法觀察到探針在腔體內(nèi)的運(yùn)動過程及具體位置中數(shù)值為 0.2mm）才能獲得邊界層內(nèi)更詳細(xì)的流控制精度限制以及實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)機(jī)械配合誤差等影腔體壁面上，造成探針端部鎢絲斷裂。無論是重新會耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力和時間。鑒于此，撞控制系統(tǒng)，如圖 2.3 所示。該系統(tǒng)成本低、可靠以及降低探針壞損率起到了重要作用。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2788842