孟恒辉，吴宏
北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 (100083)
E-mail：menghenghui.student@sina
摘要：本文对振动表面自然对流的换热特性进行了实验研究。实验采用电铃谐振器作为加热膜的激振源，并利用红外测温技术对表面温度场进行了测量。结果表明：振动对自然对流的强化可提高90.7%。在等热流密度条件下，振动能量越大，换热越好；在等振动能量条件下，热流密度越小，换热越强。本文的研究结果为强化表面自然对流换热提供了一种新思路。关键词：自然对流，强化换热，振动 中图分类号：TK124
1. 引言
当前，对于自然对流换热问题的研究没有强迫对流研究那样开展得广泛。一方面是由于自然对流强化效
果没有强迫对流换热强化效果好；另一方面是由于自然对流强化的途径少难度大，所以自然对流的研究进展缓慢。但自然对流应用有自己的领域，强迫对流又有其制约因素，尤其是随着电子集成电路的发展，自然对流强化换热的问题越来越受到学者的关注。
现今大多数学者研究自然对流换热的出发点都是借鉴强迫对流的强化。通常不借助外界能量时，换热系数提高不大，以漩涡发生器而言，其换热系数最多只能提高20%，不能很好地满足实际需求。而借助适当的外部能量，将可使换热有大幅的提高。采用机械辅助装置、振动、电磁场、抽吸等各种方法均可通过增大换热系数来达到强化换热的目的。本研究将采用振动法研究其对换热的影响。 利用振动强化单相流体对流换热的方法可分为两种：一种是使换热面振动以强化换热；另一种是使流体脉动或振动以强化换热。研究表明，不管是换热面振动还是流体振动，对单相流体的自然对流和强制对流换热都是有强化作用的。振动可以增大流体间的扰动，干扰附面层的形成和发展，从而减小换热热阻，达到强化换热的目的。Shine[1]研究了横向振动的平板在空气中的自然对流换热特性。研究结果表明，在振幅a=1.55mm，频率f=11~315HZ时，平板表面的平均对流换热系数提高30%；Blsnkenship[2]等研究了在参数振幅a=0.76mm，频率f=50HZ情况下的平板对流换热特性。研究发现，层流下平板的平均对流换热系数略低，紊流状态下可提高50%。此外，其它研究成果也表明[3-6]，换热面在流体中振动时，根据振动系统的不同，自然对流换热系数可提高30%~2000%。上述文献只是泛泛的研究了振动对换热的影响，并没有给出温度分布以及具体的影响效果。所以，本实验着重
通过温度场的分布，具体分析振动对换热的影响，具有较高的研究价值。
2. 实验设备
本实验目的为观测振动对换热的影响，所以振动装置是实验的关键。图1为实验设备示意图
摩托罗拉a668
1红外热像仪 2密封装置 3实验件 4激振器 5支架 6扩展表面
图1 实验设备示意图
实验件采用带有自粘无毒压敏胶的125型薄膜电加热器（该实验件也是实验的加热装置），面积为100×300mm 2。其内部电阻丝布置均匀，可提供等热流边界条件。为了消除边缘效应对实验的影响，实验件的两侧各用25mm 宽的同种薄膜进行扩展。温度测量采用HY-3088G 型非制冷焦平面红外热像仪。通过标定实验，该红外热像仪测量精度能达到±1℃。激振源采用电铃装置，这样既方便又能满足实验要求。由于自然对流对竖直方向上的尺度感应敏感，故在实验中采用细绳拉紧底部的方法来保证实验件竖直。此外，为减小室内空气扰动的影响，实验装置周围增加了一个封闭装置，并在实验件观测位置打孔以进行温度场拍摄。 3. 结果分析
本实验的评价尺度是：努塞尔数N u 和对流换热系数h 。其关系式如下：
努塞尔舒hL Nu λ
= 上式中h 为对流换热系数，L 为特征尺度，λ为定性温度时的换热系数。 3.1 静止平面自然对流换热研究结果
将光滑实验件竖直放置在环境温度稳定的密闭室中进行实验，这样有利于减少外界环境对实验的干扰。在实验过程中，环境平均温度为26.5℃，温度波动不超过0.5℃。首先进行了系统的换热效果验证实验。结果表明，该表面的平均努赛尔特数为143.35=。
N u 的理论值是根据Churchill 和Chu [7]提出的恒热流自然对流竖直平板理论近似解的公式
()14
499160.670.6810.492Pr L Ra =+⎡⎤+⎣⎦ （1）
计算而得到的。(1)式适用范围为R a<9.0×109，其定性温度为T =（T ∞+T w ）/2。由此计算出理论值240.86=。比较1与2，可知该实验系统能够比较真实的反映竖直平面自然对流换热的情况，具有较高的实验精度。
3.2振动能量与强化换热效果分析
在热流密度一定的情况下，研究振动对换热的影响，结果如图2所示：
05101520
0.0
0.2
0.4
0.60.8
1.0
(h -h 0)/h 0E/W
图2振动与换热系数的关系
上图中横坐标表示振动能量，纵坐标表示振动时相对于静止状态的强化效果（h 0表示静止时的换热系数）。图中可明显看到振动强化换热的效果，在本次实验研究的范围内，相比静止状态，换热系数最大可提高90.7%。随着振动能量的增大，边界层所受的干扰程度越大，从而使换热系数提高的越多，
强化效果也越好。在实验的工况内，最大的振动能量得到的换热系数是最小的振动能量的1.34倍。但随着振动能量增加的同时，换热系数提高的趋势在逐渐减缓。
以图3为例，分析最大振动与静止时的表面温度分布情况：
（a ）静止 （b ） 振动
图3 振动与静止时的温度分布
从a 、b 两图可看出，实验件的温度分布一致，都能较好的描述自然对流换热的特点：下部分温度低，换热效果好；上部分温度高，换热效果差。但它们又有所不同：由于振动影响了实验件的边界层，从而强化了换热，使振动状态下的温度较静止时有明显降低，从图
抗原提呈细胞
3
中两图的温度分布可清楚地看到振动对换热的强化效果。实验件底部和中部的换热较大，而上部分换热效果相对差。这是因为振动是从下往上传播的，使得上部分高温区振动相对弱，加之边界层较厚，故造成振动能量对实验件上表面的边界层影响较小，从而使得换热强化提高的幅度较小。在两幅图的边界上，由于边缘效应，造成了局部换热强化，较之中间区域，其温度变化相对剧烈，才出现等温线密集区。
3.3热流密度与强化换热效果分析
图4是研究在一定振动能量下，实验件的热流密度与强化换热的变化关系：
681012141618
E / W
(h -h 0)/h 0 2.02.53.03.54.0
4.5
5.0
Q / W
图4 热流密度和强化换热效果及换热量的关系
图4中横坐标表示实验件的热流密度，纵坐标分别表示换热系数提高的效果和换热量。曲线1清楚地反映出不同热流密度下振动强化换热的程度：随着热流密度的增加，换热系数越来越小。在实验的工况内，热流密度最小与最大时对应得到的换热系数比值为1.26。并且随着热流密度的增加，换热系数减小的趋势越来越缓。这是由于低热流密度时，很小的振动能量就可以对边界层产生较大的影响。相应的，热流密度越大时，边界层越厚，需要更多的振动能量才能对边界层产生很好的影响。而曲线2反映出在换热过程中，总的换热量随着热流密度的增加而逐渐增大。这是由于实验件热流密度越大，换
热表面温度也越高，从而使温差越大，进而增大对外换热能力，符合自然规律。从本实验数据分析，知换热系数减小的幅度小于温差提高的幅度，从而使得换热量总体上是增大的趋势。
图5为实验件在热流密度最大与最小时的温度分布：
让我们一起奔腾吧
（a ）最小 （b ）最大
图5 热流密度两极值情况下温度分布
从图5中可以明显看出：a ，b 两幅温度分布图趋势相似，低温与高温区错落有致，都能真实反映自然对流换热的特点。但它们还略有区别：与热流密度最大时的工况相比，热流密度最小时所对应的表面温度分布较低，从而可清楚地反映出换热系数与热流密度的关系：振动能量一定时，热流密度越小，
换热系数越大。从而进一步验证上面的分析。这是因为热流密度越小时，其本身只需很小的振动能量，就能很好的影响边界层。
3.4局部分析
在自然对流中，不均匀温度场造成了不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为了运动的动力[8]。自然对流跟定性尺度关系极为密切。为了从宏观上研究振动对自然对流的影响，对实验件的水平各点进行平均，从而来研究换热系数与定性尺度（竖直方向）的关系。
图6为在等热流密度条件下，不同振动能量下，换热系数随特征尺度的分布图。
0501001502003
4
5
6
7
8910111213
14
h / w /(m 2K )L / mm
图6 换热系数随高度的分布
瓶颈效应
图6中横坐标表示实验件特征尺度（竖直方向）上的位置，正方向向上；纵坐标代表对应处的平均换热系数。从上图中可以清楚地看到，振动对换热的强化效果显著。在振动能量较小时，自然对流起主导作用，换热系数的曲线与不振时曲线的趋势大致相似，曲线都能较好的吻合自然对流的换热系数h
随高度的分布图。随着振动能量的增大，自然对流和振动引起的受迫对流相互作用，使得强化换热效果明显，换热系数提高。
图7为在振动能量一定时，在不同的热流密度情况下，换热系数随高度的分布图。
050100150200
eq3
4
5
6
7
8
9101112
13
h W /(m 2K )L / mm
图7 不同热流密度时，换热系数随高度分布
（坐标轴代表物理量与图6一致）
从图7中可看出，各条曲线的趋势大致相同：下部分换热系数大，上面换热系数小，符合自然对流的特点。在振动能量相同时，随着热流密度的增大，各区域对应的平均换热系数h 逐渐减小。在热流密度q=7.78W 时，换热系数h 值尤其在25-150mm 范围内，基本保持一致，相比较静止工况而言，换热系数提高的幅度是很大的。推测应该是振动对中间和上部分的扰动剧烈，从而使其强化提高的更多。其它曲线也都不同程度的反映出这种趋势。
4. 结论
本文采用电铃激振装置从整体和局部具体研究了振动对换热的影响，归纳结论如下：
多余人
1）振动可以强化换热，在本实验的研究范围内，换热系数最大可提高90.7%。
2）在加热量一定时，振动能量越大，换热效果越好。在本实验的工况内，最大的振动能量得到的换热系数是最小的振动能量的1.34倍。随着振动能量的增加，h 增大趋势变缓。
3）在振动能量一定时，相对于静止状态下，换热得到不同程度的强化。热流密度越小，换热强化效果越好。在本次实验的工况内，热流密度两极值工况下对应得到的换热系数比值为1.26；随着热流密度的增大，换热系数减小的程度趋于平缓。
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