低Ra数下热线外的自然对流特性研究

摘要

目前对微尺度热线外的自然对流，尤其是在较低Ra数下的自然对流换热特性仍存在一些争议，不同学者给出了不尽相同的Nu数预测准则关系式，实验结果与理论求解也有较大的差距，至今为止还没有一个普遍接受的结论，进一步获得一些可靠的实验数据，对揭示微尺度结构下的传热传质规律有重要的理论指导意义。
　　本文通过对微细热线外自然对流国内外相关研究文献的调研基础上，就以下几方面进行了进一步研究，首先，流体是否存在由导热到自然对流的过渡问题，其次，由导热过渡到自然对流的条件是什么，最后，探索造成在低Ra数下实验结果与理论求解较大差距的可能原因。
　　本文建立了直流电加热微细铂丝外自然对流传热系数的实验测试系统，以高纯度去离子水和50cs硅油为工质，铂丝直径选用φ20.1μm、φ50.8μm的两个规格，为提高实验精度采用瞬态热线法测导热系数中的实验铂丝自测流体温度的方法，获得Ra数与Nu数的关系曲线，通过对比水平与竖直热线外的自然对流传热的Ra-Nu关系式获得自然对流启动的临界Rac数，并通过高频测量手段佐证了实验现象。
　　实验结果表明：以水为介质条件下，对φ50.8μm直径的微细热线，当Ra数约为5.0×10-4时，热线外水的换热模式出现自然对流的启动，对φ20.1μm直径的微细热线Ra数约为1.0×10-4，此时的Nu数也是局部最小值，并接近Tsubouchi的理论极限值0.36。在实验Ra数范围内(1.0×10-5　　采用Fluent软件数值模拟了热线外低Ra数(0　　最后，根据实验中存在的不足之处，提出了改进建议，并展望了课题后续研究的计划。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2热线外表面自然对流实验研究进展

1.3热线外表面自然对流模拟研究进展

1.4存在的问题

1.5本课题的主要任务

1.6本章小结

第二章 实验系统和实验方法

2.1实验原理

2.2 实验装置

2.3 实验步骤

2.4实验装置正确性验证

2.5实验误差

2.6本章小结

第三章 实验结果与分析

3.1水平与竖直铂丝对比

3.2不同直径铂丝对比

3.3不同工质对比

3.4过渡点高频动态过程

3.5实验结果分析

3.6本章小结

第四章 数值模拟

4.1Fluent软件介绍

4.2Gambit建模

4.3Fluent求解结果

4.4模拟与实验结果分析

4.5修正条件后建模与求解

4.6本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢