二、 ㄇ型振動管之熱流實驗
2.2 實驗步驟
2.2.4 ㄇ型渠道頂部壁面溫度量測
本實驗藉由量測ㄇ型渠道壁面溫度，進而計算壁面平均紐塞數，由於 Yokogawa 公 司型號 DA-2500E 的資料擷取器掃描速度較慢，無法配合ㄇ型渠道的往復運動速度來進 行暫態溫度的量測，因此以個人電腦每 30 秒求得各點的溫度，連續量測一小時，加以 平均觀察其溫度的變化。實驗步驟如下：
1. 將管道流量調整以符合實驗所需的雷諾數。
2. 啟動電源供應器使加熱片溫度上升。
3.啟動往復運動機構並調整至所需振動頻率。（靜態量測可忽略此步驟）
4.等待流場與實驗設備運轉穩定。
5.個別調整加熱片的輸入功率，使各加熱片表面溫度皆相同（即溫差≦0.1℃）。 每半小時量測溫度變化一次，並調整電源供應器，使加熱片間保持等溫（即溫差≦
0.1℃），並且高於流體進口平均溫度 5℃，若連兩次量測各加熱片表面溫度與流體進口 平均溫差均為定值（即 5℃±0.1℃），則判定溫度場趨於穩定，即開始紀錄實驗數據，反 之繼續調整表面溫度。在此將溫差設定為 5℃是為了降低自然對流效應之影響。
利用電源供應器的電能轉換來模擬熱源時，最理想的狀況為所有熱量皆傳遞到銅箔 上，但實驗中熱量損失無可避免，在忽略熱輻射的前提下，當熱量輸入加熱片後，有三 種傳遞的途徑，一為經由表面的銅箔傳入流場，此為計算紐塞數的主要部分，另一為經 由巴沙木向後方散逸，第三部分則為加熱片彼此間的熱傳，圖 12 所示，加熱片上下兩 邊的面積較小，並且有貼附絕熱泡綿，故將其熱傳省略，加熱片兩邊則由於溫度一致，
彼此之間視為沒有熱傳，詳細熱損計算原理如下：
加熱片元件的熱量計算原理與其紐塞數之定義如下述(a)至(e)所示：
a.輸入加熱片的能量：
電源供應器提供加熱片能量，輸入能量為輸入電流平方和鎳鉻絲電阻 值乘積
R I I V
Qin = × = 2× （4）
b.散逸的能量：
雖然巴沙木背面加有絕熱泡棉，但仍有熱量由此散逸 dy
dT A k
Qlose = b× b× （5）
式中 k 為巴沙木熱傳導係數=0.055 （W/m℃） b A 為巴沙木面積=0.031×0.012=3.72×10b -4（m2） dT 為巴沙木兩端溫度差（℃）
dy 為巴沙木厚度=0.0015（m）
c.加熱片間熱傳：
因加熱片有熱保護措施防護其中，故加熱片間彼此的熱傳效應幾乎微乎其 微，故可以忽略不計。
d.ㄇ型渠道頂部壁面平均紐塞數估算：
由加熱片傳入流場的總能量為
lose in
air Q Q
Q = − （6）
根據紐塞數定義計算高溫加熱片的平均值
a w h
air
k W ΔT A
Nu = Q ⋅ （7）
式中 A 為加熱片表面積=0.031×0.012=3.72×10h -4（m2） Δ 為加熱片銅箔表面與進口流體平均溫差 Tw
W為管道寬度=0.03（m）
k 為空氣熱傳導係數（W/m℃） a
表 1 步進馬達運動參數表
解析度 (step) 36000 轉速 (rev/s) 0~3 角加速度 (rad/s2) 0~10 轉動步數 36000
(i) 汽缸燃燒室 (ii) 活塞
(iii) 曲柄軸 (iv) 飛輪
（a）一般引擎示意圖 （b）加裝冷卻渠道示意圖
圖 3 引擎活塞機構示意圖
(i) 汽缸燃燒室 (ii) 冷卻渠道 (iii) 活塞 (iv) 曲柄軸 (v) 飛輪 (i)
(ii)
(iii)
(iv)
(i)
(ii) (iii)
(iv)
(v)
(1) 風機 (6) 電源供應器 (2) 流量計 (7) 溫度記錄器 (3) 蜂巢 (8) 個人電腦
(4) 往復機構 (9) 步進馬達控制器 (5) 冷卻渠道 (10) 重力方向
(51) ㄇ型渠道 (52) 延長渠道 (53) 方形套管
圖 4 實驗設備總圖 (51) (53) (52)
圖 5 冷卻渠道實際尺寸 (51) ㄇ型渠道 (52) 延長渠道 (53) 方形套管 (71) 加熱區域
36 157
17
87
210
30
(51)
(53)
(52)
單位：公釐
(71)
90
x
(41) 馬達傳動軸 (46) 滑塊 (42) 圓形套筒 (51) ㄇ型渠道 (43) 連桿
(44) 基座 (45) 滑軌
圖 6 (a) 往復運動機構
(44)
(51) (46) (45)
(43) θ
r (42)
(41) 15mm
=53mm
圖 6(b) 往復運動機構和冷卻渠道側視圖 (51) (53)
(43) (42)
(52)
(44) (46)
(41)
90 100
(41) 步進馬達 (51) ㄇ型渠道 (42) 圓形套筒 (52) 方形套管 (43) 連桿 (53) 延長渠道 (44) 基座
(46) 滑塊
圖 7 渠道振盪速度圖
=1.5
=3.53 Eq.(3)
=10
previous study［13］
(74)
(75)
(76)
(77) 單位：公釐
圖 8 （a） 加熱片結構圖
36
12
1.5 6
36
31 (71)
(72)
(73)
(71) 發熱區 (72) 鎳鉻絲 (73) 鐵氟龍膠帶 (74) 銅箔
(75) 1.5mm 巴沙木 (76) 6mm 巴沙木 (77) 熱偶線
單位：公釐 圖 8 (b) 加熱區段位置圖
中段加熱區 前段加熱區
36
31
12
29.4
29.6 90
後段加熱區
z
x
y
30.5℃
30.6℃
30.6℃
30.5℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.6℃
30.5℃
30.5℃
30.5℃
30.5℃
30.5℃
30.5℃
30.5℃
30.5℃
30.5℃
(a) front heat region (b)middle heat region (c)back heat region
圖 9 加熱片測試各點溫度
（a）前段加熱區 （b）中段加熱區 （c）後段加熱區
圖 10 發煙器裝置圖
圖 11 流場可視化設備示意圖
圖 12 熱損失估計原理
X
X
熱經由渠道內部流體帶走
熱經由巴沙木傳導帶走