水平圓管自然對流換熱的剪切干涉測溫數(shù)值和實驗研究.pdf

1、溫度場的測量對于科學(xué)研究和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著十分重要的意義，常規(guī)的接觸式測溫技術(shù)由于探頭的介入，不可避免的要破壞溫度場的原始分布。利用光學(xué)方法測量溫度場由于其具有非接觸測量、靈敏度高、信息量大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以得到了大量的運(yùn)用。
　　自然對流和我們的生活息息相關(guān)，加強(qiáng)自然對流現(xiàn)象的研究顯得越來越重要。大空間水平加熱圓管的自然對流問題在工業(yè)中有很多的應(yīng)用。對于水平圓管的自然對流的研究主要采用三種方法，一是實驗方法；二是直接求解N

2、-S方程和能量方程的數(shù)值解法；三是利用各種近似方法求解邊界層方程的分析解。傳統(tǒng)研究中，為忽略水平圓管端部效應(yīng)的影響，一般采用“一維無限長”假設(shè)，這與實際工業(yè)應(yīng)用對象不符合。當(dāng)水平圓管長度太長或管壁溫度比較高時，利用干涉法得到的壁面附近的干涉條紋會比較密而導(dǎo)致儀器無法提供足夠的分辨率。在水平圓管的自然對流中，圓管的上部存在著不斷上升的羽狀煙柱區(qū)。由于這一煙柱區(qū)不符合邊界層的假設(shè)，所以利用各種近似方法求解邊界層方程得到的分析解存在差異。

3、r>　　本文介紹了各類光學(xué)方法測試原理及在傳熱中的應(yīng)用，對普通光學(xué)干涉法、激光全息干涉法和橫向剪切干涉測溫的特點(diǎn)以及原理進(jìn)行了比較。橫向剪切干涉測溫系統(tǒng)是共光路的干涉法，實驗中無需引入?yún)⒖疾妫垢蓴_能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，能夠得到與全息干涉法相同的結(jié)果，可以實現(xiàn)實時測量。橫向剪切干涉是在兩波前的重疊區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干涉圖形，所以當(dāng)將剪切量比較小時，被檢驗波前某些位置的波相差信息不能直接得到，需基于獲得的干涉相位做相位重建才能得到待測波前。當(dāng)剪切量

4、比較大時，所獲得的干涉圖像類似于兩個并列的利用馬赫-曾得干涉儀得到的干涉圖像，不需要進(jìn)行波前重建。
　　本文對兩端開放的有限長水平圓管的自然對流進(jìn)行了實驗研究。利用具有大剪切量的橫向剪切干涉裝置得到了不同壁溫水平圓管在自然對流條件下的實時干涉條紋。圓管溫度場的有效范圍受浮升力影響會蔓延到圓管頂部很高的地方。針對不滿足一維無限長假設(shè)情況下圓管兩端存在的端部效應(yīng)進(jìn)行了修正，給出一定溫度范圍內(nèi)的修正系數(shù)α，并利用端部效應(yīng)修正系數(shù)得到了給

5、定線上的溫度值。當(dāng)兩端開放的水平圓管壁溫處于30℃到95℃范圍內(nèi)時，使用α=0.88進(jìn)行端部效應(yīng)修正所得溫度反演誤差不足1K。
　　求解自然對流換熱時速度場和溫度場是相互耦合的，即自然對流中流場的求解與溫度場的計算必須同時進(jìn)行，求解比強(qiáng)迫流動更困難些，因此大部分是利用邊界層假設(shè)或Boussinesq假設(shè)來解決自然對流問題。本文利用不可壓理想氣體模型和Boussinesq假設(shè)對大空間水平等溫圓管的自然對流進(jìn)行了數(shù)值模擬。利用得到的溫

6、度場數(shù)據(jù)反演得到被測場放置水平圓管時的剪切干涉條紋。利用matlab模擬了有離焦時存在象差的純背景條紋并將兩種條紋疊加得到模擬條紋，發(fā)現(xiàn)得到的模擬條紋和實驗得到的干涉條紋十分類似。
　　當(dāng)水平圓管壁溫值高到一定程度時，干涉條紋將過分密集而難以分辨，所以大部分的研究是針對壁溫小于100oC的情況。本文利用具有大剪切量的橫向干涉裝置得到了兩端絕熱的電加熱管從450oC高溫開始降溫至環(huán)境溫度的實時干涉條紋。在圓管具有一定壁溫時，圓管正上