system: [SYSTEM]

user: 3. 无源技术 3.1. 粗糙表面对换热的影响 粗糙表面上的湍流流动是自然界中普遍存在的，一个明显的例子就是大气和海洋中的流体对流现象，其底层表面几乎是粗糙的。研究湍流在粗糙表面的换热主要是研究边界层的结构与动力学的关系，目前关于粗糙的对湍流流动的影响很大程度来自于风洞试验和其他开放系统 [ 35 ] 。由于在壁面附近扰动产生的扰动流是封闭的，并迅速向下游排放，因此表面粗糙通常没有过多的扰动大部分区域，其效果往往可通过调整表面粗糙度值K等相关参数来调整 [ 36 ] 。这种情况完全改变一个封闭空间内的流体，其中所产生的边界扰动是不可避免的混合成湍流的块状区域。 目前湍流Rayleigh-Benard对流作为封闭系统的一个特殊案例，近年来逐步引起人们的关注。研究发现，在一个粗糙的上下表面封闭的空间中进行对流实验，当控制热边界层厚度在一定范围内时，整个粗糙空间的热传导增加76%以上，从热边界层间歇爆发的热羽流和相干大循环，通过剪切边界层，被发现在对流空间共存。这些特点与空间上的热量传输直接相关，并通过几种理论模型 [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] 观察到。YAN [ 40 ] 将粗糙表面与射流冲击相结合的复合强化传热技术以及Zhang [ 41 ] 将粗糙表面引申至微细通道内流动，均取得很大的进展。 3.1.1. 实验介绍 实验在一个充满水的圆柱体空间内进行，圆柱的上下面均由相同的带有V型槽的黄铜片构成。凹槽顶角为90˚，每个V型槽的高度K为9.0 mm，间接是2 k。圆柱体壁面是由有机玻璃构成的，两个圆柱环具有相同的内径20 cm，高度分别为20和40 cm，对应的纵横比为1和0.5。上板通过安装在板顶部的冷却腔进行冷却，下板是在板的背面电热膜进行均匀加热。两板间的温差△T由嵌入板内的热敏电阻测量，对流流体中心轴附近局部温度由一个小的可移动温度探头测量。实验中控制的参数是瑞利数 3.1.2. 结果分析 图4 [ 42 ] 中显示Nu数分别在粗糙和光滑空间内作为Ra数的一项函数。整个空间的垂直热通量取决于所需的功率以保持下板在一个恒定的温度。实验证明，粗糙表面相较于光滑表面的热量传输增大了76%。为找到增强换热的原因，测量了对流流体在上板的温度波动，可以发现，在粗糙的空间中，(冷)热羽流的排放量大大增加，上表面粗糙使得热羽流进行横向的大尺度环流，在粗糙腔内的边界层上的温度波动减少。 为分析热羽流的成因，在上粗糙面采用了可视化温度和速度场的摄影技术，图5显示一个红色伞状羽流从冷端粗糙面产生，在近壁区大规模环流运动的特点类似于一个简单的剪切流，当它与正锥面相遇，平均流从表面发散。在椎体的下游侧，形成一个不利的压力梯度区域。这种逆向梯度产生的涡流，与大尺度环流方向相反。其相互作用使得热边界层与附近锥尖分离，使得热边界层形成热羽流，与此同时，内部的小涡旋也在槽内形成强烈的混合，这对边界层附近的局部温度也造成影响。 3.1.3. 实验结论 描述了一种在封闭空间中粗糙上下表面的对流实验。当V型槽厚度K远大于边界层厚度时，整个粗 图4. 光滑和粗糙表面下Nu跟Ra对数图 图5. 可视化温度和速度场 糙空间的热传导增加76%以上。流动显示和近壁面温度测量表明，大尺度环流在粗糙表面较之光滑表面会额外产生更多扰动，流动边界层受到一定程度的破坏，导致层流特性得到相对减弱或是层流流动转变为湍流流动，最终使得粗糙表面的平均传热效果得到增强。 表面粗糙度对于RB湍流的影响，其研究对对流湍流的性质提供了新的见解，在工程、地理和气象上也有更多大量的应用，但目前对于不同粗糙度对强化传热效果的影响，仍需要进行更丰富细致的实验。 3.2. 分区在热对流中强化传热 在RB对流对流换热强化研究中，揭示了一种新的机制，会导致更大的热量传送：即当垂直分区被插入到一个对流单元的隔离墙与冷却(或加热)板之间的间隙时，对流会变得自发组织更加一致，最终导致一个前所未有的热传输增强。特别是，当六个隔墙插入时，热通量可增加约30%。数值模拟显示当分区数到达28个时，热通量增强达比没有分区高2.3倍左右。 3.2.1. 实验介绍 实验在一个50 × 15 × 10 (cm)的矩形单元中进行，上下导板是用纯铜并在表面电镀镍。侧壁是由四个1.2 cm厚的有机玻璃组成。几个1.2 cm厚的有机玻璃隔板将矩形室分成若干子室，每个隔板与水平板留有2 mm高度的间隙，以保持每个子室与不分区时的系统拥有相同的纵横比，该结论已被Ahlers等 [ 12 ] [ 43 ] 通过研究得到。上板温度通过水冷调节，下板由嵌入的薄膜加热器在固定功率下加热，在持续流动边界条件下上下板保持一恒定温度，该温度由12个热敏电阻监测。系统流体采用平均温度31℃的介质水，对应的Pr = 5.3，Nu是在3.5 × 10 7 ≤ Ra ≤ 8.3 × 10 8 的范围内进行测量。对于每个Ra数，系统都要稳定4~8小时以达到一个良好状态。同时，为减少周围环境的影响，整个系统包裹在几层聚苯乙烯塑料泡沫中。 直接数值模拟(DNS)也对该实验进行演绎，鉴于二维模拟所需模拟数值比三维模拟小得多，且详细的温度跟速度场在二维图中更容易获得，温度和速度等信息均直接可用，可轻易识别出复杂的物理机制，因此选用多个二维空间分区模拟，其中Pr数和Ra数均固定。数值代码基于不可压缩的Oberbeck-Boussinesq方程的有限差分法，限制方程如下： 速度场在所有边界均服从无渗透、无滑移的边界条件；温度场是在其界保持绝热等温(无热通量)。运用投影算法的思想求解方程，空间导数近似由二阶中心有限差分法在交错网格中求得，由于隔板边界的复杂计算情况，采用高斯赛德尔迭代法解决压力泊松方程。 3.2.2. 结果与讨论 图6 [ 44 ] 显示了一个补偿努尔数的半对数图，对比Nu/Ra 0.289 的值发现当隔板数从0到6依次增加，Nu也表现出明显的增加，当n = 6时，Nu增加了32.7%。限制得增加反而提升了换热，值得注意的是，玻璃墙板的热效应是可以忽略不计的 [ 12 ] ，深入讨论热效率提高的原因，发现由于在对流过程中，浮力驱动引发了压力场的产生，最后流体在隔板间隙内水平推动，由于水平压力的下降，导致一个强大的水平射流产生，使冷或热流进入子单元室，从而实现了系统高效热交换。 由此可得出结论，分区热对流的强化换热是通过双效应引起的。首先，当隔板数N足够大时，每个子室中流体流动会更加连贯，从而得到更高效的热通量，但随着n的增多，隔板总的阻抗增加，导致整体热传输减少，因此必存在一个最佳隔板数。其次，由于射流的存在使导板附近流体温度梯度变大，导致边界层比传统RBC系统变薄约1/3。并且在这两种效应之间，薄间隙强水平射流是强化传热的主要因素，这种机制突出了间隙高度的重要性：对于适当高度的间隙，有一个最大的换热增强值。 因此，具有薄间隙连接相邻室的分区RBC系统，可产生不同的流型，导致热通量的增加。其中最重要的是产生的射流导致破坏对称分岔，冷热羽流被夹带到隔板两侧，形成一个水平压力梯度，之后的研究主要是关于改变分区壁厚以及对流区的纵横比对热量传输的影响，看怎样才能得到最佳换热的优化。 3.3. 约束引起对流换热强化 在湍流热对流的空间约束实验研究中发现，当对流腔室的宽度变窄，系统传热效率明显增加。在这里，依然利用经典的对流模型RB对流，该系统具有三个控制参数，Ra、Pr、纵横比 。Ra表征测量的 热驱动力，Pr测量粘性和热扩散的相对优势，纵横比 是对流室的几何形状和影响对流结构和动力学。由于在RBC主导的对流结构是大尺度环流(LSC)，但结论显示LSC几乎不影响系统整体热传输，相反，后者主要由热边界层确定，因此显著改变热量传输的唯一方式是直接扰乱热边界层。不同纵横比的对流室理论上可改变热边界层厚度，随着纵横比减小，系统摩擦阻力会增加从而在侧壁增强换热，研究揭示了侧向约束湍流流动引起的增强换热过程。 3.3.1. 实验 实验研究利用五个矩形对流室，其高度和长度均固定为12.6 cm，宽度变化范围从7.56到1.27 cm，垂直面的纵横比分别为0.6，0.3，0.2，0.15，0.1。Nu测量范围在8.6 × 10 7 ≤ Ra ≤ 2.5 × 10 9 ，以保持平均温度T c 为40˚(Pr = 4.3)。为降低环境温度波动的影响，对流室包裹几层保温绝热层，放置在恒温器中。 同时，相应的直接数值模拟(DNS)采用Boussinesq方程的有限体积求解非等距网格在坐标方向以及交错网格对应三个速度分量 [ 45 ] 。笛卡尔几何构型是离散的，因此网格间距是在x-z平面保持垂直和水平一样，水平和垂直壁面的边界层也能得到解决。网格间距在几何中心是等距的。对配置文件进行后期分析，发现所有相关尺寸都能得到完美解决。 3.3.2. 实验结果和分析 如图7，显示了一个不同Ra数下，Nu和Γ的对数图，不同纵横比Γ下，Nu随着Γ的减小而呈现增大趋势，考虑到在高度受限空间内，阻力增大会降低流体流速从而抑制垂直热量传输，但实验却显示了相反的结果，因此可预测在 减小时有什么减小了阻力增大的影响，因此，我们进行接下来的试验。 在保持Pr和Ra数固定的实验下分析不同纵横比 的影响，如图7显示了纵横比为1/2 (图8(a))和1/8(图8(b))下距离水平面z ≈ 2δ th 下的瞬时速度场和水平温度场图，结果表明对于纵横比小的流体，当热羽流朝向冷羽流时，会发生更多的碰撞，融合，然后上升，因此可携带更多的热量，使得热量传输不再局限于周边，而发生在整个对流室中。 基于以上分析，可得出以下结论：首先，约束导致壁面的摩擦阻力增加，从而显著减弱了LSC最终在高度受限条件下抑制了它，使得热羽流影响了整个边界层 [ 45 ] 。再加上在边界层内羽流形态的变化，导致更加连贯和具有活力的羽流，整体Nu因此得到提高。几何约束效应为影响湍流边界层的原因提供了新的范例，目前对约束引起对流换热的加强还有许多实际问题需要作出研究，例如在微电子工业中的冷却装置的设计。 图6. Nu/Ra 0.289 补偿对数图 图7. 不同Ra数下Nu与Γ对数图 图8. 不同纵横比流体速度场和温度场