ㄇ型管道

本研究改變了進口流雷諾數、浮慣比的數值，並發現高溫面的區域紐塞數也 跟隨著改變，所得的結論如下：

(1) 當浮慣比增加的時候，高溫流體容易累積在水平管道的上半部，且該溫 度層化區如絕熱層一般，阻止了冷卻流體接觸高溫面，因此在區域紐塞 數的分布上，可發現又低又平坦。

(2) 當浮慣比降低，高溫流體無法長時間佔據水平管道的上半部，冷卻流體 有機會衝擊高溫面，使高溫面的區域紐塞數出現高峰值。

(3) 在本研究所設定的參數中，管道的振動可以適時地增加高溫面的熱傳效 率。

5.5.2 ㄩ型管道

由於本章考慮到自然對流的效益，流體受熱之後容易往上流動，而在ㄇ字型 管道中，入口流方向向下，因此冷卻流體容易和受浮力而上升的高溫流體對撞，

在彼此勢力抗衡的情況下，容易產生許多的小回流，造成程式的收斂不易，浮慣 比也無法如ㄇ型管道一般可以上到Gr/Re²=250；本章所得結論如下：

(1) 高溫面的熱傳效率會受到冷卻流體的慣性力以及重力方向的影響，較高 的流體流速可以增加熱傳。

(2) ㄩ字型管道的振動對於高溫面的熱傳不一定會有增益，並且與進口雷諾 數與浮慣比有關。

(3) 管道的振動造成管道體積的擴張或是縮減，會影響到高溫面的熱傳效率 最大值出現的時間，也就是說雖然管道體積縮減使水平管道內的冷卻流 體流速變快，但是此時由伸縮管道流出的流體是先前時刻累積在擴張體 積內的高溫流體，造成高溫面的熱傳效率不佳。

Re ₂

Re ₂ Re

Gr Lc Fc V m _{NuX NuC}

) ( , ) ( ,

n X

n c

Nu Nu

200 1 0 0 0 4.607(0) - -

200 10 0 0 0 7.747(1) - -

300 10 0 0 0 9.881(2) - -

200 10 0.2 0.5 0.628 - 7.674(1) 0.991 (

) 1 ( ,

) 1 ( , X c

Nu Nu )

300 10 0.2 0.5 0.628 - 10.010(2) 1.013 (

) 2 ( ,

) 2 ( , X

c

Nu Nu )

表5-2 ㄩ型管道的計算參數表

圖5-1 ㄇ字型管道物理模式圖，重力方向和冷卻流體在入口處流動方向相反

0 0,T v

T v u

y , ,

0













horizontal channel

left channel

right channel

v

c

圖5-2 ㄩ字型管道物理模式圖，重力方向和冷卻流體在入口處流動方向相同 left vertical

channel right vertical

channel

horizontal channel T

v u

y , ,

0













0 0,T v

v

c

Inlet Flow

Outlet Flow

0 1 2 3 4 5 6 7 0

0.5 1 1.5 2 2.5

Elements=7980 Elements=13176 Elements=17955

圖5-3 ㄇ型管道的網格測試

Nu

X

X

0 1 2 3 4 5 6 7 0

5 10 15 20 25 30 35 40

8025 20020 29274

圖5-4 ㄩ型管道的網格測試

X

Nu

X

圖5-5(a) Re200、Gr/Re² 1之流線分布

圖5-5(b) Re200、Gr/Re² 1之等溫線分布

g

g

圖5-6(a) Re200、Gr/Re² 250之流線分布

圖5-6(b) Re200、Gr/Re² 250之等溫線分布

g

g

圖5-7(a) Re500、Gr/Re² 0.16之流線分布

圖5-7(b) Re500、Gr/Re² 0.16之等溫線分布

g

g

圖5-8(a) Re500、Gr/Re² 40之流線分布

圖5-8(b) Re500、Gr/Re² 40之等溫線分布

g

g

圖5-9 高溫面的區域紐塞數分布

Nu

X

X

Re = 200, Gr/Re² = 1 Re = 200, Gr/Re² = 250 Re = 500, Gr/Re² = 0.16 Re = 500, Gr/Re² = 40

(a) τ = 0 (b) τ = 1/4 τp

(c) τ = 2/4 τp (d) τ = 3/4 τp

(e) τ = 4/4 τp

圖5-10 在Re200、Gr/Re² 250、F_c 0.2和L_c 0.5的形況下，管道振動 一個週期中，不同時間點的流線分布圖

Vc = 0

Vc = 0

Vc = 0

Vc

Vc

g g

g g

g

(a) τ = 0 (b) τ = 1/4 τp

(c) τ = 2/4 τp (d) τ = 3/4 τp

(e) τ = 4/4 τp

圖5-11 在Re200、Gr/Re² 250、F_c 0.2和L_c 0.5的形況下，管道振動 一個週期中，不同時間點的等溫線分布圖

Vc = 0

Vc = 0

Vc = 0

Vc

Vc

g g

g g

g

(a) τ = 0 (b) τ = 1/4 τp

(c) τ = 2/4 τp (d) τ = 3/4 τp

(e) τ = 4/4 τp

圖5-12 在Re500、Gr/Re² 40、F_c 0.2和L_c 0.5的形況下，管道振動一 個週期中，不同時間點的流線分布圖

Vc = 0

Vc = 0

Vc = 0

Vc

Vc

g g

g g

g

(a) τ = 0 (b) τ = 1/4 τp

(c) τ = 2/4 τp (d) τ = 3/4 τp

(e) τ = 4/4 τp

圖5-13 在Re500、Gr/Re² 40、F_c 0.2和L_c 0.5的形況下，管道振動一 個週期中，不同時間點的等溫線分布圖

Vc = 0

Vc = 0

Vc = 0

Vc

Vc

g g

g g

g

圖5-14 各種參數下的平均紐塞數隨時間分佈圖

Nu

X



Re = 200, Gr/Re² = 1 Re = 200, Gr/Re² = 250 Re = 500, Gr/Re² = 0.16 Re = 500, Gr/Re² = 40 Re = 200, Gr/Re² = 1

Re = 200, Gr/Re² = 250 Re = 500, Gr/Re² = 0.16 Re = 500, Gr/Re² = 40

5 . 0 , 2 .

0 

 _c

c L

F 0

. 0 , 0 .

0 

 _c

c L

F



p

4 0



p

4 1



p

4 2



p

4 3



p

4

4

0 1 2 3 4 5 6 7 0

2 4 6 8 10 12

圖5-15 ㄩ型管道靜止時，Re=200、300 分別在 混合對流與強制對流情況下的區域紐塞數分布比較

Nu

X

X

mixed convection Re=200, Gr/Re²=1 forced convection Re=200

mixed convection Re=300, Gr/Re²=1 forced convection Re=300

X

X

0 1 2 3 4 5 6 7 0

5 10 15 20 25 30

圖5-18 在Re200、Gr/Re² 10、F_c 0.2和L_c 0.5的情況下，管道振動一個 週期中，不同時間點與管道靜止不動時的高溫面區域紐塞數分布比較

Stationary State (Fc=Lc=0) 1/4 τp

2/4 τp

3/4 τp

4/4 τp

Nu

X

X



 







 5 . 0

2 . 0

c c

L F

10 ,

200 ² 

 Gr Re Re

0 1 2 3 4 5 6 7 0

5 10 15 20 25 30 35

圖5-19 在Re300、Gr/Re² 10、F_c 0.2和L_c 0.5的情況下，管道振動一個 週期中，不同時間點與管道靜止不動時的高溫面區域紐塞數分布比較

Stationary State (Fc=Lc=0) 1/4 τp

2/4 τp

3/4 τp

4/4 τp

Nu

X

X



 







 5 . 0

2 . 0

c c

L F

10 ,

300 ² 

 Gr Re Re

第六章、以實驗量測在強制對流情況下，冷卻流體對於ㄇ字 型管道中高溫面的散熱效率影響

6.1 緒論

經由數值方法分析強制對流在活塞冷卻管道裡的熱傳效率之後，本研究將設 計一實驗設備來驗證數值分析的正確性。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。

6.2 物理模型與實驗設備

在文檔中 振動渠道之熱傳分析 (頁 77-100)