水平溫差引起的自然對流現(xiàn)象廣泛存在于自然界中,為了研究這種復(fù)雜的自然現(xiàn)象,抽象簡化出水平對流模型。水平對流模型的熱源和冷源處于同一等勢面。實驗系統(tǒng)由熱板提供恒定的熱源,冷板提供恒定的冷源。熱源附近流體被加熱,流體上升,然后驅(qū)動水平對流系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生大尺度的環(huán)流。前人對水平對流的研究其Ra數(shù)范圍均小于10¹²。為了研究較大Ra下水平對流的相關(guān)特性,本文在長寬比為10,長度為2 m的實驗裝置進(jìn)行實驗測量,Ra數(shù)范圍在2.75×10¹²到1.25×10¹³。本文在較大Ra數(shù)條件下測量了水平對流系統(tǒng)中的整體傳熱和溫度剖面結(jié)構(gòu)。實驗發(fā)現(xiàn)在不同Ra數(shù)下,冷源上方的溫度剖面經(jīng)過無量綱處理后具有自相似的特點,并且該溫度結(jié)構(gòu)形態(tài)可以用改進(jìn)的Prandtl-Blasius模型進(jìn)行描述。實驗測量了熱源上方的溫度剖面,發(fā)現(xiàn)無量綱溫度剖面隨著Ra數(shù)的增加,從有低溫區(qū)的空間結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o低溫區(qū)的空間結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變意味著系統(tǒng)內(nèi)流動狀態(tài)的變化。水平對流系統(tǒng)的傳熱同樣存在狀態(tài)轉(zhuǎn)變,表征對流傳熱強(qiáng)度的無量綱準(zhǔn)則數(shù)Nu數(shù)與Ra數(shù)的標(biāo)度率逐漸從1/4轉(zhuǎn)變?yōu)?... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：59 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

沿地球經(jīng)向的大尺度水平對流水平對流這種沿同一重力等勢面施加的浮力梯度驅(qū)動的大尺度流動在地球物理和工業(yè)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文4實驗裝置，則循環(huán)遵循什么標(biāo)度率關(guān)系。這也是本課題著眼的重點，在大Ra數(shù)和大尺寸實驗裝置觀察水平對流現(xiàn)象。因為Pr數(shù)對水平對流傳熱也存在一定影響。Grambery等人[22]考慮到玻璃工業(yè)中熔化的玻璃其Pr數(shù)很大，于是對大Pr數(shù)時的水平對流運動進(jìn)行研究。實驗流體從上方加熱。隨著Ra的增大，Rossby標(biāo)度率再次被發(fā)現(xiàn)。Chiu-Webster等人[23]也研究了與非常粘稠流體，即Pr數(shù)無限大時的情況，同樣通過研究玻璃熔爐中的對流來實現(xiàn)，該研究在實驗側(cè)面和底部保證絕熱條件，頂部具有線性溫度梯度。實驗在大范圍縱橫比和大范圍Ra數(shù)的穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行，并找到了從小Ra數(shù)到大Ra數(shù)的過渡的通用標(biāo)度。在大Ra數(shù)時，頂部邊界層厚度為Ra-1/5，全局傳熱標(biāo)度率為Ra1/5。圖1-2Ra數(shù)和Pr數(shù)相圖[27]對與水平對流系統(tǒng)主要響應(yīng)參數(shù)的研究目前在低Ra數(shù)下得到了較為精確的數(shù)值模擬結(jié)果[24-26]。Shishkina等人[27]研究了關(guān)于雷諾數(shù)（Re）和Nu對層流HC中Ra和Pr的依賴性的DNS結(jié)果。他們利用層流熱對流的相關(guān)理論，即時間和體積平均的熱能和粘性耗散率主要由它們的邊界層（BL）貢獻(xiàn)決定。對于層流水平對流，發(fā)現(xiàn)Re~Ra2/5Pr-4/5，Nu~Ra1/5Pr1/10轉(zhuǎn)變?yōu)镽e~Ra1/2Pr-1，Nu~Ra1/4。其數(shù)值模擬的范圍為：Pr為0.5至50，Ra的范圍為108至1010。所獲得的結(jié)果與Grossmann-Lohse理論[28]（GL理論）應(yīng)用于層流水平對流的情況一致。Grossmann和Lohse[28]提出了著名的GL模型，該理論在較大的Ra數(shù)和Pr數(shù)范圍內(nèi)，用Ra數(shù)和Pr數(shù)來預(yù)測Nu和Re數(shù)的變化，也就是考慮這兩組參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。GL模型是基于RB對流系統(tǒng)中能量耗散率u和溫度耗散率得到的。GL模型認(rèn)為邊界層和湍流主流區(qū)對熱耗散的貢獻(xiàn)是不一

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文11b）圖2-1a）實驗裝置示意圖b）實驗裝置實物圖因為實驗需要的測量時間非常長，所以需要考慮外界環(huán)境溫度對實驗系統(tǒng)的影響。為了保證水平對流系統(tǒng)內(nèi)部溫度的穩(wěn)定，首先需要保證環(huán)境溫度的穩(wěn)定。有溫差存在必然會導(dǎo)致傳熱。為了減少系統(tǒng)向環(huán)境漏熱，應(yīng)該保證環(huán)境溫度盡可能與實驗系統(tǒng)主流區(qū)溫度一致。基于以上兩點的考量，我們搭建恒溫箱，將水平對流實驗裝置放置于恒溫箱中，能夠保證恒溫箱處于較為穩(wěn)定的環(huán)境，且減少了向環(huán)境的漏熱。恒溫箱由1cm厚的有機(jī)玻璃板構(gòu)造而成，為了保證其內(nèi)部溫度恒定，外部包裹絕熱材料。恒溫箱內(nèi)部鋪設(shè)蛇形盤管，盤管與循環(huán)水浴相連。恒溫箱內(nèi)部放置溫度探頭，可以對恒溫箱內(nèi)的溫度進(jìn)行測量，然后通過調(diào)節(jié)水浴的溫度，改變蛇形盤管內(nèi)的水溫，從而達(dá)到控制恒溫箱溫度與系統(tǒng)主流溫度一致。2.4溫度探頭的制作和校核2.4.1溫度探頭的制作水平對流系統(tǒng)的實驗測量將用到兩種不同尺寸的溫度探頭，溫度探頭是由熱敏電阻制作而成。兩種溫度探頭都是由Honeywell公司生產(chǎn)，這兩種熱敏電阻頭部用玻璃進(jìn)行封裝，具有很好的封水和絕緣性。其中一種珠狀熱敏電阻的玻璃囊外徑為1.2mm。制作該型號的溫度探頭需要首先將熱敏電阻的引腳和導(dǎo)線焊接到一起，由于這種熱敏電阻的引腳較粗，具有一定的強(qiáng)度，所以可以焊接后可以用熱縮管在引腳處進(jìn)行絕緣，然后再用硅膠在熱縮管兩端進(jìn)行封裝。冷板和熱板上加工的孔徑為3mm，制作完成后的溫度電阻完全可以插入冷熱板中進(jìn)行測量，且不易損壞，方便移動。所以這種型號的溫度探頭用來測量冷熱板和恒溫箱溫度完全可以滿足要求。另一種是直徑0.36mm的熱敏電阻。這種熱敏電阻頭部同樣為玻璃封裝，大致為球形。但是該型號的熱敏電阻尺寸很小，很難進(jìn)行操作

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]湍流熱對流中的動力學(xué)和傳熱研究[J]. 郗恒東,孫超,夏克青.  物理. 2006(04)

碩士論文
[1]水平熱對流溫度邊界層空間結(jié)構(gòu)及統(tǒng)計性質(zhì)的實驗研究[D]. 顧姣燕.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2019
[2]水平熱對流熱傳輸及溫度剖面的實驗測量[D]. 鄢博.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017



本文編號：3601118