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水平圆管自然对流换热的剪切干涉测温数值和实验研究

朱进容  
【摘要】:温度场的测量对于科学研究和国民经济的发展都有着十分重要的意义,常规的接触式测温技术由于探头的介入,不可避免的要破坏温度场的原始分布。利用光学方法测量温度场由于其具有非接触测量、灵敏度高、信息量大、精度高等优点,所以得到了大量的运用。 自然对流和我们的生活息息相关,加强自然对流现象的研究显得越来越重要。大空间水平加热圆管的自然对流问题在工业中有很多的应用。对于水平圆管的自然对流的研究主要采用三种方法,一是实验方法;二是直接求解N-S方程和能量方程的数值解法;三是利用各种近似方法求解边界层方程的分析解。传统研究中,为忽略水平圆管端部效应的影响,一般采用“一维无限长”假设,这与实际工业应用对象不符合。当水平圆管长度太长或管壁温度比较高时,利用干涉法得到的壁面附近的干涉条纹会比较密而导致仪器无法提供足够的分辨率。在水平圆管的自然对流中,圆管的上部存在着不断上升的羽状烟柱区。由于这一烟柱区不符合边界层的假设,所以利用各种近似方法求解边界层方程得到的分析解存在差异。 本文介绍了各类光学方法测试原理及在传热中的应用,对普通光学干涉法、激光全息干涉法和横向剪切干涉测温的特点以及原理进行了比较。横向剪切干涉测温系统是共光路的干涉法,实验中无需引入参考波面,抗干扰能力强,结构简单,能够得到与全息干涉法相同的结果,可以实现实时测量。横向剪切干涉是在两波前的重叠区域内产生干涉图形,所以当将剪切量比较小时,被检验波前某些位置的波相差信息不能直接得到,需基于获得的干涉相位做相位重建才能得到待测波前。当剪切量比较大时,所获得的干涉图像类似于两个并列的利用马赫-曾得干涉仪得到的干涉图像,不需要进行波前重建。 本文对两端开放的有限长水平圆管的自然对流进行了实验研究。利用具有大剪切量的横向剪切干涉装置得到了不同壁温水平圆管在自然对流条件下的实时干涉条纹。圆管温度场的有效范围受浮升力影响会蔓延到圆管顶部很高的地方。针对不满足一维无限长假设情况下圆管两端存在的端部效应进行了修正,给出一定温度范围内的修正系数α,并利用端部效应修正系数得到了给定线上的温度值。当两端开放的水平圆管壁温处于30℃到95℃范围内时,使用α=0.88进行端部效应修正所得温度反演误差不足1K。 求解自然对流换热时速度场和温度场是相互耦合的,即自然对流中流场的求解与温度场的计算必须同时进行,求解比强迫流动更困难些,因此大部分是利用边界层假设或Boussinesq假设来解决自然对流问题。本文利用不可压理想气体模型和Boussinesq假设对大空间水平等温圆管的自然对流进行了数值模拟。利用得到的温度场数据反演得到被测场放置水平圆管时的剪切干涉条纹。利用matlab模拟了有离焦时存在象差的纯背景条纹并将两种条纹叠加得到模拟条纹,发现得到的模拟条纹和实验得到的干涉条纹十分类似。 当水平圆管壁温值高到一定程度时,干涉条纹将过分密集而难以分辨,所以大部分的研究是针对壁温小于100℃的情况。本文利用具有大剪切量的横向干涉装置得到了两端绝热的电加热管从450℃高温开始降温至环境温度的实时干涉条纹。在圆管具有一定壁温时,圆管正上方条纹数量比正下方的条纹数量要多,而且随着壁温值的增加,这种趋势越明显。利用“一维无限长”假设反演得到了不同壁温的温度场,并考虑了端部效应的影响。计算结果表明,对于圆管两端绝热的情况,端部效应影响不大,但是对于两端不绝热的情况,端部外侧的影响范围大大加强,相应的附加量比较大。


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