當管道中的高溫面溫度提升之後，流體因為受熱產生密度差，流場的熱傳現 象開始出現自然對流的影響，在加上冷卻流體直接衝擊高溫面，使管道內的流場 形成更為複雜的混合對流問題。而流體所受到的浮力方向和實驗管道所擺設的角 度有關，以ㄩ字型管道來說，重力方向向下，流體受熱之後會有向上流動的趨勢，
而此現象在入口端容易和進口流體對撞，產生許多的回流現象，造成流場不穩定 以及數值模擬結果不易收斂。因此，本章將利用實驗量測方ㄩ型管道在混合對流 情況下，冷卻流體對振動管道高溫面之熱傳效率增益。
對於管道裡的高溫面，本文將自行製作數個加熱片，裝設在水平管道的壁面 上，利用電源供應器提供電流，而加熱片上的電阻絲可將電能轉換成熱能，以此 來模擬活塞面對燃燒室的高溫面。對於實驗管道中流體的流動方向及速度，可由 流場可視化觀測而得；而在流場可視化的技術中，放煙線法（Smoke-Wire Techniques）最為常見也是最簡單而低成本的方法，利用加熱絲、煙油與電源供 應器即可達到放煙的目的，同時可利用攝影機來拍攝動態流場，結合個人電腦與 影像擷取卡，將攝影機所拍攝到的動態影像擷取到個人電腦後，運用影像處理軟 體即可從動態影像中抓取定格的靜態畫面，以清楚地觀察流場的變化
7.1 物理模型與實驗設備 實驗設備
本章相關的實驗設備示意圖如圖7-1 所示，主要可以分成三個部份：冷卻管 道系統(5)、往復振動系統(4)以及加熱控制系統(6、7)。在冷卻管道系統中，鼓風 機(1)將空氣吹進管道中，途中會經過浮子流量計(2)以量測進入管道的空氣流 量，再經過安置在冷卻管道入口處，用以消彌亂流用的蜂巢及網格裝置(3)。冷 卻管道以垂直方式安裝並呈現ㄩ字型，而冷卻管道又可分解成振動管道(51)、固
定管道(52)以及連接管道(53)等三個部份，而振動管道安置在由步進馬達推動的 往復振動系統(4)上，以利進行往復振動的實驗；振動管道由連接管道連接至固 定不動的入、出口管道(52、53)上，如此振動管道可以進行往復式的振動，冷卻 流體也可經由固定管道送入、送出振動管道。個人電腦(8)用來控制步進馬達的 轉速以及計算高溫面的局部紐塞數，並進行流場可視化的畫面擷取。
加熱控制系統利用溫度擷取機(7)擷取由熱偶線所量測到的加熱片溫度之 後，再將結果記錄至個人電腦中(8)，而根據電腦螢幕顯示的加熱片各點溫度，
調整電源供應器(6)所提供的能量，以達到加熱片皆為均溫的狀態。
圖7-2 為振動管道的尺寸圖，從圖中可以看到冷卻管道的截面為長 120mm × 寬 30mm 的長方形；ㄩ字型振動管道接到連結管道的部份長度為 120mm；加熱 片裝設在ㄩ字型管道的下壁面上，壁面長度為200mm；當啟動往復振動系統時，
振動管道有部份會在連接短管道中滑動，為避免吹入管道的空氣由連接處洩漏，
在連接管道裡必須塗上一層潤滑油，如此也可順便增加管道滑動時的順暢度。加 熱片五個一組，並分成三前、中、後區，分別裝設在ㄩ字型管道下壁面的前、中、
後三個位置，實際裝設位置如圖7-3 所示。
如圖7-4 所示，振動系統由步進馬達、偏心圓盤、連桿、滑動平台及滑軌所 組成，連桿連結滑動平台以及偏心圓盤，當步進馬達轉動後偏心圓盤帶動連桿上 下來回，滑動平台因而沿著滑軌上下反覆振動。之後將ㄩ字型管道放置在振動系 統上，如圖7-5 所示；由連結管道連接到入、出口管道。當往復機構開始運作時，
管道會隨之進行往復運動，此時裡面的冷卻流體受到振動影響，對壁面散熱也會 有不同的效果，最後利用個人電腦擷取各項所需數據，經過處理以後進行壁面的 熱傳分析。
為得到較佳的高溫壁面與方便量測各點溫度用以計算此實驗之紐塞數，以銅 箔、鎳鉻絲及巴沙木等材料製成加熱片，並由電源供應器提供電能使鎳鉻絲發熱 產生熱量，加熱片的組成如圖7-6 所示。每片加熱片上均黏有熱偶線，用以量測 該點溫度。管道頂面之加熱板主要做法為分別將三塊表面積為長 31mm × 寬
12mm 之加熱片緊密結合為一組長 31mm × 寬 36mm 之加熱區塊後，再將三組 加熱區塊置於一長210mm ×寬 90mm 且厚度為 10mm 之組合巴沙木板，在組裝 時需注意保持加熱區塊表面與巴沙木板表面維持同一平面，各組加熱區塊詳細位 置如圖7-3 所示，依流體入口方向加熱區分為前、中、後段加熱區，各個加熱區 塊僅中間加熱片為實驗計算所用，兩邊加熱片則為熱保護用。為了減低熱量從組 合間縫隙散失，在加熱區塊周圍及後方貼附絕熱泡棉。
加熱片製作
a. 加熱片原理：
將鎳鉻絲纏繞於孔洞分布均勻的電路板，並且連接電源供應器通以電流 使其均勻發熱，外面包覆高熱傳導係數的銅箔藉此形成一個表面均溫且對 於熱反應快速的發熱體。在其側邊利用相同製作過程的銅箔夾層緊靠來達 成熱保護的效果，當這些銅箔夾層都加熱到相同溫度時，彼此間就不會有 熱傳，藉此降低無法估計的熱損。銅箔的上表面置於流場中，熱量由流場 的流體經熱對流方式帶走，下表面則緊貼巴沙木用以計算下方熱傳導帶走 的熱損失，其餘的部份則貼覆絕熱泡棉使其熱損失降到最低。
b. 加熱片的製作方法：
材料準備：
銅箔（厚度0.05mm）、電路板（厚度 1.6mm）、直徑 0.17mm 之鎳鉻絲，
鐵氟龍絕緣膠帶、巴沙木（厚度1.5mm 和 6mm）、直徑0.001mm 之 J-TYPE 熱電偶線、OMEGA 公司的 OB-200 導熱膠、AB 膠等。
製作銅箔夾層(74)：
將厚度1.6mm 之電路板裁成長度 31mm，寬度 11mm 之長條型，其內部 有48 個孔洞（12×4），表面有金屬的部份用砂紙磨去，並取中間且均勻分 佈鑽三個通孔以便於放置熱偶線；於裁好的電路板上繞以細密且均勻間隔
板表面發生高突而與銅箔間隙太大，接著再將鐵氟龍絕緣膠帶包覆於纏好 鎳鉻絲的電路板外用以與銅箔絕緣；切取尺寸為 31mm × 24mm、厚度 0.05mm 之銅箔，將銅箔折成寬度為 11mm 之 U 字型，包覆於巴沙木外且 銅箔表面需盡量保持平坦。並將穿過電路板夾層之三條熱電偶線黏貼於銅 箔內側通孔對應的位置。
製作巴沙木夾層（75）、（76）：
為了減少同組的三個加熱片間因為組合時產生的接觸熱阻，因此把一組 加熱區塊所需的三個巴沙木夾層一起製作，將巴沙木（厚度1.5mm 和 6mm）
裁成一塊長度 31mm，寬度 35mm 之長方體，也就是三個銅箔夾層組合起 來的大小，對照銅箔夾層適當的位置鑽九個通孔用來穿過所有的熱偶線。
為求估算經由巴沙木的熱損失，在巴沙木（厚度為1.5mm）上下放置熱偶 線以量測溫度，用以求得藉由熱傳導耗散的熱量。
加熱片成形：
組裝時，如圖7-6 中所示，最上層為銅箔夾層，中間為厚度 1.5mm 之巴 沙木夾層，下層則為6mm 之巴沙木夾層，熱偶線分別由各通孔拉出，熱偶 線的位置如(77)所示，銅箔夾層三條，中間巴沙木上下各三條，接著再將 各層之間均勻塗上導熱膠，組合夾緊放置24 小時待其乾燥固定，即可完成 組裝工作。製作過程中需注意加熱面銅箔保持平整，以達到均溫效果。另 外需注意加熱片有無縫隙，須以導熱膠或AB 膠於適當的地方填補。
c. 加熱片測試：
將完成後加熱片之兩條鎳鉻絲連接電源供應器，由電源供應器提供一電 位差，鎳鉻絲通電後發熱，使銅箔溫度上升，待其加熱片溫度穩定後擷取 黏貼於銅箔背面三條熱電偶線之溫度，若彼此溫度差均能維持在0.1℃內則 通過測試，表7-1 即為測試結果，加熱的溫度設定為高於室溫 20℃，表中 標示的溫度為加熱面銅片表面各點的溫度。
為 準 確 的 控 制 每 個 加 熱 片 之 輸 入 熱 量 ， 將 每 一 加 熱 片 分 別 連 接 至
MOTECH 公司型號 LPS 的直流電源供應器，並且利用 UNI-T 公司型號 UT60E 的三用電表量測電壓與電流值，溫度量測部分則利用 OMEGA 公司 J-TYPE 熱偶線，配合 Yokogawa 公司型號 DA-2500E 的資料擷取器，讀取 各熱電偶線溫度值。並以National Instruments 公司 GPIB-USB 資料擷取卡，
將熱偶線所量得的溫度值讀入個人電腦進行分析。
d. 量測溫度裝置
熱電偶量測溫度原理為利用兩種不同的金屬或合金線，在兩不同線端點 處焊接在一起，當此焊接點與待測高溫面接觸時，會產生電壓差而造成熱 電流運動現象，而其大小則依據焊接點與另一端參考點之溫差，此參考點 溫度必須為一定值，藉由熱電流運動力，可推算出焊接點之溫度，依據電 壓大小來判斷被測物之溫度，而其準確度與範圍就和材質有非常大的關 係，目前業界常見的有E、J、T、K 等 TYPE 的熱電偶。
本實驗溫度量測部份採用 OMEGA 公司出產 J-TYPE 熱電偶，利用 Yokogawa DA2500E 資料擷取器將熱電偶的電壓類比訊號取出並轉換成溫 度值，並利用National Instruments GPIB 介面卡將資料傳輸至個人電腦，最 後經過個人電腦將資料處理並加以儲存。
實驗步驟
本研究主要目的在以實驗的方法，進行ㄇ型管道往復運動之頂部熱傳效應分 析，實驗共分為四部分：進口流體雷諾數量測、啟動往復運動機構、流場可視化 與壁面溫度量測。
a. 進口流體雷諾數量測
為了探討ㄇ型管道頂部熱傳效率與進口流體雷諾數之關係，故工作流體 進口平均速度需確定，由
A
u0 Q 此式得知，當管道截面積A 已知，平均速
度u 則可以由流量計讀數0 Q 代入前式計算求得，藉由調整風機控速器來調