溫度分布驗證

（a）管道內裝置加熱凸塊

參數Gr/Re_h²為流場強制對流或是自然對流效應強弱的判斷值。

當參數值很小時，表示浮力效應顯著，因此流場狀況為強制對流；如 果此參數值很大，表示浮力不可忽視，慣性力相對地沒有效應，因此 流場狀況為自然對流；如果此值接近1，表示浮力及慣性力效應都不 可忽略，這種狀況就是混合對流。而本實驗若採用溫差10℃來做計 算，可以計算出參數Gr/Re_h² =g×β×∆T_m×h/u₀²=0.0318，其值很小，

圖 4-3 管道內裝置凸塊之速度場分布 h

5h

圖 4-4 Re_h=588，凸塊後方 80mm 處，y 方向速度分布圖 速度（u/u_max）

圖 4-5 Re_h=588，凸塊後方 160mm 處，y 方向速度分布圖 速度（u/u_max）

圖 4-6 管道內裝置凸塊與靜止圓柱之速度場分布

圖 4-7 凸塊後方 160mm 處，不同雷諾數Re_d，y 方向速度分布圖 速度（u/u_max）

Red=147

Red=155

Red=178

Red=185

簡化計算。

圖 4-8 為數值模擬管道內裝置加熱凸塊的熱流場分布情形。由於 流體受到凸塊的阻擋，因此流線在凸塊前會開始向上偏斜，並且流體 會加速向上流動，因此凸塊前壁面和頂壁面的熱傳效果會較好。同時 也可以觀測到流場在凸塊後方區域形成了一個大型的迴流區域，故凸 塊後壁面熱傳效果會較差。這些迴流區域是阻礙高溫凸塊熱傳的主要 因素。因為實驗上量取的溫度為銅箔整片上的平均溫度，故所算出的 紐塞數為加熱面上的平均值。和數值模擬之計算紐塞數比較時，取用 加熱面上的平均溫度來計算，會使的實驗結果與數值模擬在驗證方面 更為準確。在取溫差方面，實驗所用的是流體進口溫度（T_∞）與凸塊 加熱面為等溫面（T_w）相差來作為平均溫度差（∆T_w=T_w-T_∞）。

圖4-9為進口雷諾數Re_h=620，凸塊壁面之平均紐塞數與溫差的關 係圖。∆Tw範圍分別是6.9±0.1℃、10.1±0.1℃、12.2±0.1℃、14.5±0.1

℃。可以看出溫差太小時所計算出的平均紐塞數與數值結果誤差較大 約14％，因所加入的熱源較小不易控制，容易造成溫差過高或是太 低，故導致所計算出的平均紐塞數誤差較大。大約溫差10℃以上所算 出的平均紐塞數，與數值分析結果較為接近，相差7％。但為了避免 加熱片因加熱溫度過高而燒毀，所以平均溫度差盡量維持在進口溫度 與加熱面溫度相差10±0.1℃左右為標準。

（b）管道內裝置加熱凸塊及靜止圓柱

圖 4-10 為數值模擬加熱凸塊前裝置靜止圓柱的熱流場分布情形。

圖中多加了靜止圓柱於凸塊前方 5mm 處，故流體流經圓柱時，圓柱後 方形成了一個迴流區域，故凸塊頂壁面的熱傳效果會較差。除此之外，

當流體流過圓柱下方時，因受到凸塊的阻擋而向上通過圓柱與凸塊之 間的間隙，受到截面積縮小的影響，流體產生加速的效應，造成流場 在此區域向上流動的速度比沒有加入圓柱的情況下快，使的凸塊前壁 面的熱傳效果較好，然而凸塊後壁面因迴流的產生故影響了熱傳性質。

圖 4-8 管道內裝置加熱凸塊之溫度場分布

T

∆

圖 4-9 進口雷諾數Re_h=620，凸塊壁面之平均紐塞數與溫差關係圖 Re =620 h

圖 4-10 管道內裝置加熱凸塊及靜止圓柱之溫度場分布

圖 4-11 為平均溫度差約 10±0.1℃，不同雷諾數對凸塊壁面的平均 紐塞數分布變化情形，與數值模擬的平均紐塞數來做比較。結果顯 示，當雷諾數越大時，實驗與模擬的結果誤差越大，最大為 13％左右。

因為雷諾數變大時，熱線測速儀測到的速度變化會變大，不易達到一 個穩定值。且在數值上因圓柱與凸塊距離很近，流場速度會加快，溫 度變化更加劇烈，故需採用較密的網格來計算，方可算出較精準的模 擬值。而當雷諾數小於 220 之下，誤差大約只有 6％以下，與數值比 較接近。故實驗在取雷諾數參數時，因盡量取低雷諾數，以增加實驗 的準確性。

實驗的重複性測試如圖 4-12 所示，在雷諾數Re_d=155 的情況下，

不同次數所量測凸塊壁面上的平均紐塞數。其平均標準差為 0.74，凸 塊壁面上最大絕對平均差值與該壁面平均紐塞數值的比值皆為 3.0

％，此結果可說明本實驗的重複性良好。