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        強(qiáng)迫與混合對(duì)流條件下水流順掠冰柱傳熱特性

        2015-03-06 05:44:34孟凡康
        關(guān)鍵詞:冰柱融化對(duì)流

        孟凡康,于 航

        (1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

        冰水相變傳熱問題廣泛存在于自然界和工業(yè)領(lǐng)域,如水資源[1]、空間應(yīng)用技術(shù)[2]及節(jié)能環(huán)保[3-4]等方面。冰柱雖然形式簡(jiǎn)單,但是與外界換熱過程中包含了相變傳熱的基本現(xiàn)象和特征,同時(shí)也是研究其他復(fù)雜形狀、現(xiàn)象的基礎(chǔ),所以,已有一些學(xué)者對(duì)此問題進(jìn)行了研究。Ho等[5]采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法,考慮了水的密度反轉(zhuǎn)特性,研究了水平放置冰柱的自然對(duì)流融化特征。Cheng等[6]在水平圓管自然對(duì)流蓄冰研究過程中,通過高速攝像方法得到了相界面變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),基于準(zhǔn)靜態(tài)條件下,建立了蓄冰率與相界面對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算公式。Ameen等[7]研究了冰柱置于一定氣流溫度條件下融化過程,獲得了冰柱相界面移動(dòng)規(guī)律。Yamada等[8]對(duì)沉浸在鹽水中的水平冰柱融化過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,通過可視化的方法分析了流體瞬態(tài)流動(dòng)和相界面的移動(dòng)規(guī)律。Yamada等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了相同條件下的飽和蒸汽和干空氣與冰柱之間的融化過程。Scanlon等[10]采用粒子圖像測(cè)速法對(duì)垂直放置于水中的冰柱融化過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并對(duì)建立的數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證。Sugawara等[11]用數(shù)值模擬方法研究了方腔中水平圓柱的冰/水相變問題,分別對(duì)凝固和融化兩種過程進(jìn)行了分析。

        以上文獻(xiàn)主要集中于冰柱與一定形狀內(nèi)流體之間的自然對(duì)流或者強(qiáng)迫對(duì)流換熱研究,而很少涉及強(qiáng)迫對(duì)流與混合對(duì)流條件下,水流順掠冰柱表面的傳熱研究,尤其是冰柱與流體之間整個(gè)融化過程傳熱分析。本文基于對(duì)此問題的考慮,首先,建立水流順掠冰柱表面實(shí)驗(yàn)臺(tái),改變冰柱初始尺寸,初始冰柱溫度,水流速度與溫度等參數(shù),采用工業(yè)攝像機(jī)記錄了冰柱相界面的移動(dòng)規(guī)律;其次,構(gòu)建了基于非接觸測(cè)量的圓柱相界面對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算方法;最后,通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論,獲得了與Gr、Re、Pr及Ste之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。為進(jìn)一步研究冰柱與流體之間的傳熱研究提供了一定的經(jīng)驗(yàn)和幫助。

        1 建立實(shí)驗(yàn)

        圖1為實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、流體輸配系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等組成。典型的實(shí)驗(yàn)流程如圖1中所示,啟動(dòng)水泵通過閥門調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的流量給整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)提供穩(wěn)定流量的水流,并通過閥門調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的流量。開啟恒溫水箱中的電加熱器和制冷機(jī)循環(huán)加熱系統(tǒng),經(jīng)攪拌器攪拌后為恒溫水箱中提供溫度均勻的實(shí)驗(yàn)水源。經(jīng)過調(diào)試保證為測(cè)量段提供相應(yīng)恒定溫度和流量(由電磁流量計(jì)測(cè)量)。待上述各系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢時(shí),從冷柜中取出連接吊架的冰柱并快速安裝到測(cè)量段中,同時(shí)開啟溫度數(shù)據(jù)記錄儀和圖像采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中要求保證冰柱的軸向方向與水流方向保持平行。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,冰柱融化過程影像保存在電腦中,用圖像分析軟件測(cè)量各個(gè)時(shí)刻冰柱相界面的變化情況。測(cè)量段中的水流流速由電磁流量計(jì)測(cè)量的流量除以測(cè)量段的水流斷面面積獲得。

        圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory bench

        冰柱的制作過程為:取長(zhǎng)度為500 mm的PVC管道,一端封閉,并注入450 mm深度的清潔水,在管道軸線上固定一根直徑4 mm,長(zhǎng)度500 mm的圓木棒,其表面預(yù)埋熱電阻。在冷凍柜中凍結(jié)成型。取出冰柱并在冰箱中靜止存放24 h,使冰柱內(nèi)部溫度場(chǎng)達(dá)到均勻。

        4臺(tái)工業(yè)攝像機(jī)垂直于冰柱軸向按45°空間順序,且針對(duì)冰柱中間位置設(shè)置,共記錄冰柱8個(gè)邊的相界面隨時(shí)間變化情況,由這八個(gè)邊的變化規(guī)律近似代替整個(gè)截面的變化情況。其空間布置形式如圖3所示。工業(yè)攝像頭1、2、3、4分別記錄冰柱0°和180°、45°和225°、90°和270°、135°和315°各邊的相界面變化情況。

        在正式實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行了不同長(zhǎng)度冰柱融化規(guī)律的比較實(shí)驗(yàn),采用的冰柱長(zhǎng)度分別為320,480,750及900 mm。圖3為的冰柱(長(zhǎng)為480 mm)不同時(shí)間融化典型圖像,截面1、2、3、4、5分別位于冰柱軸向6等分截面處,冰柱左端為來(lái)流方向。由實(shí)驗(yàn)得到,由于受到水流的沖刷和冰柱形狀的影響,冰柱前段(截面2之前)相界面變化較為復(fù)雜,呈三維變化。冰柱后段(截面5之后)同樣受到冰柱形狀和繞流的影響,相界面變化較為復(fù)雜。而中間段(截面2-5)部分在本文的實(shí)驗(yàn)工況下,其融化規(guī)律基本不受冰柱融化形狀的影響,其融化規(guī)律相似,其他長(zhǎng)度與480 mm長(zhǎng)度冰柱的融化規(guī)律相同,所以選用長(zhǎng)度為480 mm冰柱截面4處作為研究對(duì)象。

        圖2 工業(yè)攝像頭空間布置圖Fig.2 Local layout of industrial cameras

        圖3 長(zhǎng)度為480 mm冰柱不同時(shí)間融化圖像Fig.3 Melting images of the 480 mm long icicle at different times

        2 冰柱相界面對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算方法

        采用高速攝像實(shí)驗(yàn)方法研究冰柱相界面?zhèn)鳠嵋?guī)律的缺點(diǎn)在于不能直接測(cè)量相變傳熱過程中顯熱量的變化,為了充分考慮顯熱傳熱在整個(gè)相變傳熱中的作用,需要計(jì)算冰柱內(nèi)部溫度分布,即需要構(gòu)建影像實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與冰柱相界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)之間的映射關(guān)系。

        根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)觀察,除了冰柱前段和后段外,圖3截面4處冰柱融化過程主要發(fā)生在徑向方向,而軸向方向基本可以忽略,為了研究方便,假設(shè)冰柱融化過程為一維徑向傳熱過程。如圖4所示,研究對(duì)象為一半徑為H的冰柱,H1為某計(jì)算時(shí)刻相界面位置,融化溫度為Tm,冰柱外界環(huán)境溫度為θ0,θ0>Tm,冰柱外界對(duì)流換熱系數(shù)為h,冰柱的初始溫度為T0,Tn(t)表示冰柱中心溫度,r表示沿冰柱徑向坐標(biāo),t表示時(shí)間,t1表示冰柱傳熱結(jié)束時(shí)間。T0<Tm。冰柱的導(dǎo)熱系數(shù)為λ,密度為ρ,融化潛熱為L(zhǎng),外界水流的導(dǎo)溫系數(shù)為a。

        圖4 冰柱物理計(jì)算模型Fig.4 The physical calculation model of a length icicle

        文獻(xiàn)[12]在研究相變傳熱問題中,驗(yàn)證了3次多項(xiàng)式熱平衡積分法相對(duì)于二次多項(xiàng)式、指數(shù)熱平衡積分法等具有較高的計(jì)算精度。采用該方法對(duì)冰柱內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行近似求解。圓柱內(nèi)部溫度分布方程采用方程(1)形式[12]。

        其中:A、B、C為多項(xiàng)式的系數(shù)。

        [12],針對(duì)研究對(duì)象經(jīng)前期計(jì)算研究,在沒有發(fā)生相變之前的傳熱過程非常短暫,忽略了此過程的傳熱影響。且認(rèn)為傳熱開始后,溫度滲透深度已經(jīng)達(dá)到了冰柱中心。根據(jù)以上假設(shè)及條件,冰柱內(nèi)部導(dǎo)熱控制方程,邊界層能量方程及其定解條件如下:

        3 結(jié)果與討論

        圖5和圖6分別表示不同速度條件下平均相界面位置和平均對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化圖,6組實(shí)驗(yàn)參數(shù)均為初始水流溫度16℃,初始冰柱直徑80 mm,冰柱初始溫度-8℃。從圖5中可以看出,不同速度條件下平均相界面位置(由工業(yè)攝像機(jī)拍攝的8個(gè)邊平均獲得)變化趨勢(shì)相似,相界面隨時(shí)間呈單調(diào)遞減冪函數(shù)形式。隨著速度的增加冰柱完全融化的時(shí)間減小,即在單位時(shí)間內(nèi)融化速率增大。

        圖5 不同速度條件下平均相界面位置隨時(shí)間變化圖Fig.5 Variation of average location of phase change interface with time in different velocity condition

        從圖6中可得,在不同速度條件下,平均對(duì)流換熱系數(shù)變化趨勢(shì)相似,且隨著時(shí)間變化呈遞增趨勢(shì)。另外,隨著速度的增加,平均對(duì)流換熱系數(shù)增加,同時(shí)總?cè)诨瘯r(shí)間減小。

        圖6 不同速度條件下平均對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化圖Fig.6 Variation of average convective heat transfer coefficient with time in different velocity condition

        圖7表示不同速度條件下隨Gr/Re2變化圖,6組實(shí)驗(yàn)的參數(shù)均為初始水流溫度16℃,初始冰柱直徑80 mm,冰柱初始溫度-8℃,各速度條件下的隨Gr/Re2變化趨勢(shì)相似。隨著速度的增加對(duì)應(yīng)的Gr/Re2區(qū)間范圍越來(lái)越小,而值則越來(lái)越大。另外,在各水流速度條件下,隨著Gr/Re2的變化規(guī)律是先增大經(jīng)過最高點(diǎn)后再減小。分析其原因,是由于融化開始時(shí),冰柱的半徑最大,平均對(duì)流換熱系數(shù)最小,而隨著融化的進(jìn)行,平均對(duì)流換熱系數(shù)變大,而半徑越來(lái)越小,從而造成在融化過程某處形成最大值。以流速為0.06 m/s實(shí)驗(yàn)工況為例,對(duì)流換熱系數(shù)為661 W/(m2·℃),冰柱半徑為0.029 9 m 時(shí),最大值為34.76。

        圖8表示不同初始水流溫度條件下平均對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化圖。其實(shí)驗(yàn)工況如下:冰柱初始溫度-8℃,冰柱直徑為80 mm,水流流速為0.06 m/s。從圖中可獲得,在各初始水流溫度條件下,平均對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)相似,且隨著時(shí)間變化呈遞增趨勢(shì)。另一方面,隨著水流溫度的增加,平均對(duì)流換熱系數(shù)增加,同時(shí)總?cè)诨瘯r(shí)間減小。

        圖8 不同水流溫度條件下平均對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化圖Fig.8 Variation of average convective heat transfer coefficient with time in different water temperature condition.

        圖9表示不同水流溫度條件下Nu隨Gr/Re2變化圖,6組實(shí)驗(yàn)的參數(shù)均為初始水流速度0.06 m/s,初始冰柱直徑80 mm,冰柱初始溫度-8℃,各速度條件下的隨Gr/Re2變化趨勢(shì)相似。由于7℃水流溫度工況下特性溫度所對(duì)應(yīng)的膨脹系數(shù)為負(fù)值,所以圖中7℃所對(duì)應(yīng)的Gr/Re2數(shù)值應(yīng)為負(fù)值,本文為了統(tǒng)一起見,按照正值來(lái)計(jì)算(下同)。從圖中可以看出,在某一水流溫度條件下隨著Gr/Re2的變化規(guī)律是先增大,經(jīng)過最高點(diǎn)后再減小。其原因與前述不同速度條件下隨Gr/Re2變化原因相同。

        為了獲得與Gr、Re、Pr及Ste之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,本文總共進(jìn)行了132組有效實(shí)驗(yàn),其中水流速度分別為:0.02、0.03、0.04、0.05、0.06及0.07m/s,冰柱直徑分別為:60、70、80及105 mm,水流溫度分別為:7、10、13、16及19℃,冰柱初始溫度分別為-5、-6.5、-8、-10及-12℃。經(jīng)過整理,獲得了冰柱融化過程的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

        式中:R為冰柱初始半徑;λf為特性溫度下水流導(dǎo)熱系數(shù)。其適用區(qū)間為:350≤Re≤2 750,0.001 8≤Gr/Re2≤1.91,9.73≤Pr≤13.05,0.034≤Ste≤0.081。以上準(zhǔn)則數(shù)中所涉及的熱物性參數(shù)的取值,均依據(jù)特性溫度T f=(T l∞+Tm)/2,其中T l∞為測(cè)量段水流溫度。式(11)的方差值為0.906。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及式(11)計(jì)算結(jié)果的比較見圖10。從圖10中可見,實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值存在不同,究其原因,是由于本文計(jì)算模型的簡(jiǎn)化,測(cè)量系統(tǒng)誤差及計(jì)算參數(shù)的不確定度等原因產(chǎn)生。

        圖10 無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式Fig.10 Correlations for dimensionless criterion

        4 結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)研究了強(qiáng)迫與混合對(duì)流條件下水流順掠冰柱融化過程的相界面移動(dòng)規(guī)律和傳熱特征,通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論,可以得到結(jié)論如下:

        1)構(gòu)建了影像實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與冰柱相界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)之間的映射關(guān)系。

        2)不同速度條件下的冰柱相界面位置變化趨勢(shì)相似,相界面隨時(shí)間呈單調(diào)遞減冪函數(shù)形式變化。

        3)平均對(duì)流換熱系數(shù)隨水流速度或水流溫度的增加而增大,且平均對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化呈遞增趨勢(shì)變化。

        4)在不同水流速度或水流溫度條件下,隨著Gr/Re2先變大經(jīng)過最高點(diǎn)后,再減小。

        5)獲得了水流順掠冰柱融化過程與Gr、Re、Pr及Ste之間的關(guān)聯(lián)式。

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        (編輯胡 玲)

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