有内置物的二维封闭方腔自然对流实验研究

　　对封闭腔的自然对流的研究,各国学者一直致力于获得内部问题的分析解[1～3].本研究采用激光全息干涉法研究了有不同内置物时在层流下的换热情况,并与数值解作了比较.

　　1　实验基本原理和装置

　　本实验采用激光实时全息干涉法测量温度场.激光实时全息干涉法的基本原理是:首先记录强位相物体未变化时物光波标准波面的全息图,经显影、定影 后,将该全息图准确复位于光路中的原位置,然后,用位相物体变化后的被测物光波与参考光,同时照射在全息干板上,使直接透过全息图的测试物光波与全息图所 再现的原始物光波相互干涉,从而获得实时全息干涉图.其干涉方程为[4]m(x,y) =式中,λ0为激光波长;L为实验段长度;n0为未扰动折射率场;s(x,y)为条纹级数,是从干涉照片直接测量得到的.求出其折射场n(x,y,z)后,可按各种介质的温度场与其折射率场的关系,求出介质的温度场.

　　本实验装置采用的实验模型有三种.第一种为封闭空腔,内部无孤立物体;第二种为内置有导热性极好的铝质方形孤立体的二维封闭腔;第三种为内置有 绝热性良好的聚四氟乙烯塑料方形孤立体的二维封闭腔.空腔的上下表面均为电木材料制作,因此上下表面可视为绝热面.左右竖直面由铝材制作,左侧竖直面为均 匀的加热恒温壁面;右侧竖直壁面为不加热的恒温壁面.实验腔各部分的尺寸如图1所示.工作介质为空气,内腔尺寸为60 mm×60 mm×200 mm,孤立物体为30 mm×30 mm×200 mm的立方体.

　　2　温度场和换热系数的计算

　　在求壁面与介质间的换热系数时,均需要求出介质温度分布的数学表达式.在干涉度量学中,一般假定某个截面上的介质的温度分布为幂函数或指数分布 [3],如T(y)=a0+a1y+a2y2+a3y3+…或T(y)=aeby,式中的系数根据实验点确定.为便于工程计算,一般将数据整理成通用的公 式Nu=f(Ra)形式,Nu为努塞尔数;Ra为瑞利数.图1中,已知流体温度场,即得局部努塞尔数基于左边高温竖壁的平均努塞尔数为Tc,ΔT为温差;Th为高温壁面温度;T_c为低温壁面温度为壁高x处的温度梯度,在计算中参考温度Tm= (T_h+T_c)/2,Ra=gβΔTL³Pr/v².

　　3　实验结果与分析

　　本文通过采用上述的数据处理方法得到的实验数据覆盖了Ra为1×10⁵～1×10⁶之间的实验区 域,且具有不同条件(无内置物体、内置物体为铝、内置物体为聚四氟乙烯)的自然对流的平均换热系数如图2所示.从图2的平均换热系数看,对于有不同内置物 体或无内置物体,其传热与通常的理解不同.当有内置物体时,与无内置物体时相比,换热系数减少,而且当内置物体的导热性能提高时,其换热系数下降的幅度更 大.在实际应用中,空气是绝热性能最好的材料之一,因此难以寻找导热系数小于空气的固体材料,所以本文的实验测量条件K*(内置物导热系数与空腔介质—— 空气导热系数之比)均大于1.文献[5]用数值计算方法分析了内置物体对封闭腔内的自然对流换热的影响,给出了无内置物体情况下,Pr=0.71时 Ra=1×105和Ra=1×106两个点的两个平均Nu分别为4.561和8.923;Ra=1×10⁵,Pr=0.71,K*=5.0 (相当于内置物为聚四氟乙烯材料),内置物宽度为空腔宽度一半时,平均Nu为4.32.与图2的测量结果比较,在Ra=1×105～1×106实验范围是 符合的,实验研究证明了文献[5]的规律基本正确.在内置物体封闭腔的对流中之所以会发生上述导热现象,是由于当内置物体的导热性能比空气好时,自然对流 的传热不是直接从左侧的高温壁面传到右侧的低温壁面,而是在上部高温区到下部低温区之间,发生了通过内置物体的导热,产生了所谓的“短路”现象,因而导致 削弱了从左侧的高温壁面到右侧的低温壁面的自然对流换热.