浮力对混合对流流动及换热特性的影响

　　垂直管内的传热问中，混合对流问比甲纯分为逆混合对流祝力梯度与重力方向相反和顺混合对流两类，对前者的研究远远没有对后者的研究系统垂直管内的流动与水平管内的流动有很大不同。首先需要考虑流动方向向上或向下与壁面如果管内流动为湍流状态，则逆混合付流可以强化流体与壁面之间的换热，换热忭能强丁笮纯的强迫对流231.而管内流体为层流流动时则好相反，逆混合对流换热没旮黾纯的强边对流换热强。虽然对管内换热的数值研究或实验研究都很多，但人们似乎只关心换热，即努塞数或换热系数等参数，1饩内流动的测量很少，零星的报道中只有测量平均流动参数，如平均速度分布等+2.而对湍流量的测钻很少，特别是对温度通量的测景还没有到报道。

　　由尸温度通量给出的是速度脉动与温度脉动之间的关联，征湍流付能量输运的影响。闪此，要了解疗内湍流流动中逆混对流强化换热的机理，就必须了解浮力对流动，包括湍流特性的影响，从而了解浮力强化逆混合对流换热的机埋。

　　测雹温度通量的方法包括采用热线与冷线相结合，冷线与相结合等两种测量技术。由于我们采用的是圆饩，且疗壁不透明，所以只有采用第1中国科学院百人计划与国家自然科学基金372099联资助项目。

　　种厅法。冷线用于测量流体的平均温度以及温度脉动，热线用于测量流体的平均速度及速度脉动。由于流体中存在换热，属于非绝热流动问，因此，流体温式热线风速仪是3今测试流体速度的主要手段，其优点是探头尺寸小，频率响应高，并信号连续。

　　热线风速仪要求测量和标定时流体温度保持致，否则流体温度变化会使得测量速度带来较大误萑。

　　例如，当流体速度为3，3时，温度变化1.，速度误差会达到1.5因此，对于有换热的非绝热流动场速度测试，特别是流场温度梯度较大时，速度探头需要进行温度敏感校正。

　　为了解决速度探头的温度敏感问，好的方法是付测试中所有可能遇到的流体温度进行标定。

　　在我们研究的问中温差么乃=70，每个温度都进行标定工作量非常大。BearnianJJ提出适合标定流体温度变化不大时的速度探头温度敏感的校正方法，8心的研究明，该方法在温度变化40，以内，可以得到较好的测量结果。3，1於181讨上述速度探头温度敏感校正方法进行了改进使之适合，山的流体速度以及温度变化范围为300500的非绝热流体的速度测量。

　　车文就采用该改进的方法，用热线与冷线相结合的技术同时测量流体的瞬时速度和温度，用冷线测量正方法对热线测量速度带来的误差。

　　1实验设置实验装置压缩空气经过稳压箱，流量调节阀，流量计，加热器，经过9，弯头由水平转入垂直管内。稳压箱内压力保持为5个大气压，温度为19.0.从稳压箱出来的空气经过可调加热器加热，高温度可达850.加热器加热功率可调，并且用个在线瓦特监视加热情况，同时测量加热后气体温度。在加热器的上游配置有个高精度流量，实验中，流量范围为耵19父313到37.3，3爪35.由于进入加热器的空气压力温度已知，可以计算其密度，得到进入加热器的空气质量流量，并用该流量计算进入实验段的进口的平均气流速度。整个加热器，管道以及实验段都用玻璃纤维作为绝热材料与环境隔绝，确保热损失较小。垂直管道总长度为2762mm.下面为进口段，主用用于组织气流，尽可能使得气流完全发展，其长度为1250，1；进口段的上面为实验段，其长度为1512，实验段结构为同轴线的大管套小管，小管内是由下向上流动的热空气，大小菅道之间的腔体里为曰温循环冷却水。外管道和内管道的内径分别为62.51和72.5实验段出口的热空气经过回路将，复使用。用制冷系统保持在内外管道之间的腔体中冷却水温恒定为1测试段的垂直管上均匀分布有17个直径为lOmm的小孔，用于放置速度和温度等测试探头。

　　热线与冷线相结合的两线探头，或热电偶通过这些孔伸入圆管内测试速度温度等参数在该截面沿径向的分布。在测试段内管的外壁沿长度方向均匀分布了9个直径为1深度为4的小孔，主要用于埋设型热电偶测试壁温在轴线上的分布。每个热电偶之间的距离为16，壁面的平均温度由这9个测点的平均温度给出。同时这些测点可以用于监控壁面经过水冷却后温度是否均匀，通过调节冷却水的温度，保证壁面得到均，和稳定的冷却温度。

　　由于，热线需要角度标定，并且安装到大管套小管内进行测量很困难，所以用于测试的热线和冷线的探头是两线探头。根热线和根冷线，它们相互平行，并且热线在前，冷线在后，两者之间的距离约为lmm.由于热线的a径为5μm，则冷线可以看成放置在热线的远尾迹中=200.热线工作温度对冷线工作的影响可以忽略，则冷线测试的温度可以认为是当地的流场温度。热线速度标定在个空气自由射流的喷口势流区完成。射流速度和温度都可控。热线工作时过热率为8.冷线同时也在由于实验段内外管道之间的腔体里充满了循环2831左右不变，随着进口热空气温度的升高，某个截面的热空气的平均温度刀，与壁面温度及，的差变大，导致格腊晓夫数，大，闪而该截面的平均换热系数也相应，大。对于给定的进口雷诺数，如果进门温度升高，进口的热空气的速度也有所，加，则径昀的均速度梯度，大，这增强1动量和能量力的作用，冷却使得靠近壁面的空气减速，则壁面边界层增厚，从而导致边界层内的温度梯度变小。每2.2浮力对流动与传热的影响当实验段进口气流的温度7从353减少到303时，管内流动的格腊晓夫数也相应地从166200下降到639100，管内流动的平均换热系数也相应减少，3.对于我们研究的逆混介对流问，在雷诺数介于18，0和176，0之间曰。随着格腊晓夫数的减少，努塞尔数也相应减少。

　　这趋势与押，30记等人21的研究结果相同。

　　射流势流区进行温度标定，并与理论计算的结撅相互校验。冷线直径为1.2瓜，其电附为186，工作电流为1出。

　　假定流体的物性不变，则可以用如下公式进行速度探头的温度补偿71其中，是校正后的电压，1是测量出热线的实际电压，1是热线的工作温度，1是热线标定时的温度，2是流体的温度。该校正方法对丁平均流向速度误差可以小于3.59.

　　逆混合对流换热数据处押方法与我们早期工作中的方法致1.基丁小管道内径为特征长度尺度的尤量纲努塞尔数，雷诺数和格腊晓夫数分别yNud征浮力与强迫对流作用的强弱。本文中浮力参数定2实验结果2.1速度探头的温度补偿为了平估方程1用于补偿流体温度变化对速度探头测量结果的影响，我们采用了6个流体速度。5，2，3，4，5爪8，流体的温度从到80之间变化，给出真实速度和实际测量并经过温度补偿后速度之间的误差随温度变化的分布2.中我们发现，在速度2 2，时，经过补偿的速度误差小于±3.1.这误差跟37的研究给出的误差相1他们也采用同样的线性补偿方程来消除速度探头1于流体温度变化引起的误差。当速度队，为518利13时，虽然作流体温度小丁50，时误差比较小，但是随着温度升高，误差增加，并且在80，时大误差达到7.5和5.66.从结果中我们发现，方程1对于小速度和较高温度流体测试时，有过补偿效应，从而使得扑偿后的速度大于实际流体的速度。这是由于流体速度很小的流动中，对于热线而言，强迫对流换热开始变小，自然对流和热线支架的导热效成显出来所以该温度补偿方法对于小于的热流体速度测量误差较大。对于我们研究的混合对流问，流体的速度大于2仍8，所以该温度补偿方法基本符合我们的要求。

　　逢巍蠢赢蠢5无量纲平均速度，平均温度作；速度脉动，温度脉动和6流向温度通量在怎=位置的径向分布从5匀可以发现，浮力改变了平均速度在径向的分布。在靠近管壁区域，由于流体受到壁面冷却温度降低，密度变大，在重力作用下，速度降低。

　　由于管道截面的质量连续，靠近壁面流体减速的必然结果是流体心区域靠近轴线的速度变大。在远离壁面湍流区域的平均速度随格腊晓夫数的，加而，加。由此可，由于浮力的作用，流体平均速度在径向的分布变陡，即速度梯度变大。根据湍流理论，由于湍动能产生率与平均速度梯度成正比，则浮力使得湍流强度加强。湍流流动中，控制湍流换热的机理有两个黏性底层与湍流核心区域的扩散热输运和导热，而湍流流动中，热扩散输运作用占主导地位。能量扩散正比于靠近黏性层的湍动能产生率，而湍动能产生取决于黏性底层与湍流核心之间的速度差或者速度梯度。因此，浮力改变换热的机理在于由于浮力的作用改变了近壁区域的平均速度分布速度梯度，从而使得近壁处的湍动能产生率发生变化，因而改变了近壁的动量和能景的输运过程。

　　对于逆混合对流问，随着浮力的作用，强，10尺进口气流温度的变化孕致的边界层的增厚，或者边界层里温度梯度的变化都不会是等同的。

　　变化的曲线。中可以发现，在不同的浮力参数区域，他们的关系有明显不同。两个无量纲的参数用叫=，1的形式给出，其中常数和幂次数用小乘法拟合得到。得到如下方程用于预测逆混合对流的平均换热系数。在热空气流过具有冷却壁的垂直管内，对丁湍流流动在浮力参数为4899；对丁浮力参数为132910.5047的层流问，Nud=黏性层与湍流核心之间的速度差变大，换热随格腊晓夫数增大而加强。在我们研究的雷诺数和格腊晓夫数范围内，随着格腊晓夫数的，大，管内靠近轴线区域的大平均速度，大。无量纲后的平均速度在径向的分布庄靠近轴线区域比无量纲的平均温度更平坦5，5的。这明由于浮力的作用，改变了当地6流普寺数。湍流普朗特数定义为以=丽尝说盖。由于浮力的作用改变了甲均速度和平均温度在校向的分布，从而导致了当地湍流普朗特数的变化，这明浮力不仅仅影响平均流动和平均温度的变化，而且影响湍流的结构。随着，的增人，流体流向正应力5幻。温度脉动5，0和流体流向温度通量56明显增加。

　　因此，浮力有增强湍流动能和湍流切应力的作用。

　　而且从结果我们叶以发现，浮力对湍流的影响远远超过对平均流动的影响。因此可以推断，浮力强化垂直管里逆混合对流换热的机理在于对湍流结构的改变。湍流荇朗特数庀比于雷诺切应力和径向平均温度梯度，反比于径向温度通量和平均速度梯度。

　　由于我们采用的是单热线和单冷线相结合的测量技术，不能得到管流中雷诺切应力丽和径向温度通量兄的实验数据。因此，必须采用，热线与冷线相结合的技术，或者10与冷线相结合的技术才能得到浮力对湍流以及温度通量输运的详细细节。这是以后研究浮力作用中必须采的技术，只有通过研究浮力对湍流结构的影响，才能观察到浮力对换热影响作用机理的详细机理。

　　3结论用热线与冷线相结合的技术实验研究了竖直圆管内逆混合对流中浮力对流动和换热的影响。评估了冷线测量温度用于校流体温度变化引起速度探头输出变化带来的测量误差。逆混合对流的实验结果用无量纲的浮力参数，来，研究，雷诺数丑，范围为90018，00，浮力参数范围为0.004 8990.5047.研究的结果明，由于浮力作用，管内换热得到加强。随着格腊晓夫数的变人，流体温度脉动，流向雷诺正应力和流向温度通量增强，这现象在靠近壁面区域尤为明显。热线与冷线相结合的技术适合研究非绝热的流动问，能有助于研究混合对流问的浮力对动量能量输运过程的影响。应该采用热线与冷线热线与10相结合的技术系统研究浮力对管内流动湍流结构的影响，从而深入理解浮力对能量输运过程的作用机理。