強(qiáng)迫與混合對(duì)流條件下水流順掠冰柱傳熱特性

摘要：通過實(shí)驗(yàn)研究了對(duì)流與混合對(duì)流條件下水流順掠冰柱融化過程的相界面移動(dòng)規(guī)律及傳熱特性。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，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。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論，獲得結(jié)論如下：不同速度條件下的平均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；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)間呈遞增趨勢(shì)變化；在不同水流速度或水流溫度條件下，Nu隨著Gr/Re2先增大經(jīng)過最高點(diǎn)后再減小；獲得了水流順掠冰柱融化過程N(yùn)u與Gr、Re、Pr及Ste之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

關(guān)鍵詞：水流順掠冰柱；融化傳熱；混合對(duì)流；實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：TK02文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2015）03010206

Abstract：

Experiment is conducted to study The heat characteristics and moving regulation of phase change interface in the progress of water flowing along icicle under forced and mixed convection The mapping relationship between the experimental data and the heat transfer coefficient in phase change interface of icicle is established. With various initial dimensions of icicle， initial temperatures in icicle， velocities and temperatures of water， moving regulation of phase change interface of icicle is recorded using industrial cameras The results show that， The variation trend of each location of phase change interface is similar with different velocities， and the location of phase change interface decreases with time in a form of power function； the average convective heat transfer coefficient increase over time with the increase of velocity and temperature of water，with different velocities and temperatures of water， at first Nu increases steadily with Gr/Re2， however it witnesses a fall trend after reach to the peak point. Empirical correlation ofNu、 Gr、Re、Prand Ste is established.

Key words：water flowing along icicle； melting heat； mixed convection； experimental research

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[34]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Nu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。

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25）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。

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

1等參數(shù)有關(guān)，除了Tn（t）外，dH1dt及H1等參數(shù)可以通過非接觸測(cè)量方法直接獲得。Tn（t）的值由冰柱軸心相應(yīng)位置的熱電阻測(cè)量獲得。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。

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，Nu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N(yùn)u與Gr、Re、Pr及Ste之間的關(guān)聯(lián)式。

參考文獻(xiàn)：

[1]

Sahagian D. Global physical effects of anthropogenic hydrological alterations： sea level and water redistribution [J]. Global and Planetary Change， 2000， 25（1）：3948.

[2] Biele J， Ulamec S， Hilchenbach M， et al. In situ analysis of Europa ices by shortrange melting probes [J]. Advance in Space Research， 2010， 48（4）：755763.

[3] Choi I S， Kim J D， Kim E. Experimental characteristics of a storage tank on a harvesttype ice storage system [J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2002， 45（7）：14071412.

[4] Soltan B K， Ardehali M M. Numerical simulation of water solidification phenomenon for iceoncoil thermal energy storage application[J]. Energy Conversion and Management， 2003， 44（1）：8592.

[5] Ho C J，Chen S. Numerical simulation of melting of ice around a horizontal cylinder [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，1986，29（9）：13591369.

[6] Cheng K C ， Indaba H ， Gilpin R. Effects of natural convection on ice formation around an isothermally cooled horizontal cylinder [J]. Journal of Heat Transfer， 1988， 110：931937.

[7] Ameen F R. Stagnationline melting of ice cylinders transverse to warm air flow[J]， International Journal of Refrigeration， 1994， 17（6）：381390.

[8] Yamada M， Fukusako S ， Kawanami T，et al. Melting heat transfer characteristics of a horizontal ice cylinder immersed in quiescent saline water[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40（18）：44254435.

[9] Yamada M， Okada M. Enhancement of the melting of an ice cylinder by the combination with the condensation of a saturated steam flow [J]. Journal of Thermal Science and Technology， 2001， 6（1）：4356.

[10] Scanlon T J， Stickland M T. An experimental and numerical investigation of natural convection melting [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2001， 28（2）：181190.

[11] Sugawara M， Komatsu Y， Beer H. Melting and freezing around a horizontal cylinder placed in a square cavity [J].Heat and Mass Transfer，2008，45 （1） ：8392.

[12] Myers T G， Mitchell S L ， Muchatibaya G. Unsteady contact melting of a rectangular crosssection material on a flat plate[J].Physics of Fluids，2008，20（10）：112.

[13] Hao Y L， Tao Y X. Heat transfer characteristics of melting ice spheres under forced and mixed convection [J].Journal of Heat Transfer， 2002， 124（5）：891903.

（編輯胡玲）