一侧开口式圆柱形腔体热损失特性的实验研究

摘要

腔体内的复合热损失，包括导热热损失、对流热损失和辐射热损失，存在于很多工程应用领域中，例如太阳能热发电系统、被动式太阳能供暖、航空器制动系统、电子冷却装置和节能优化设计等。
　　 在腔体的各项热损失中，腔体内表面与环境间的辐射热损失以及腔体壁面的导热热损失的计算和确定已有相关研究成果作为基础，而腔体的对流热损失由于机理复杂，大大增加了其计算的难度，是目前研究腔体热性能的重点和难点，受到了越来越多的关注。
　　 本文通过建立圆柱形腔体热损失性能测试实验台，采用电加热的方法，在定热流的工况下，基于所有壁面加热、只有侧面加热和只有底面加热三种情况，探讨倾角、热流密度、开口率等参数对圆柱形腔体热损失的影响，获得自然对流热损失的努塞尔特数Nuc和辐射热损失的努塞尔特数Nur分别与格拉晓夫数Gr、吸热器倾角ψ、开口率AR、热流密度qc或qr的实验关联式。实验结果表明，输入功率不变时，腔体的自然对流热损失随着倾角的增大而减小，导热热损失和辐射热损失随倾角的增大而增大，但增大的幅度不大；随着开口率的减小，辐射热损失在总损失中的比重减小，而导热热损失和自然对流热损失在总损失中比重增大；在相同的倾角ψ和开口率AR下，自然对流热损失的努塞尔特数Nuc和辐射热损失的努塞尔特数Nur都随对应的热流密度的增大而增大，但增幅不同；当自然对流热损失的热流密度一定时，自然对流热损失的努塞尔特数Nuc随倾角的增大而减小，随开口率的增大而增大，而当辐射热损失的热流密度一定时，倾角对辐射热损失的努塞尔特数Nur的影响很小，但开口率对其影响很大。
　　 另外，实验结果还发现，三种热边界条件下的自然对流热损失性能存在差异：在相同的倾角ψ和自然对流热流密度qc下，只有底面加热时，受热空气位于腔体内的上部区域，滞止区的范围较大，自然对流Nuc较小；只有侧面加热时，滞止区的范围较小，自然对流Nuc较大；所有壁面加热时的Nuc介于前两者之间。加热位置对辐射热损失性能的影响要比对自然对流热损失的影响小。