緒論 - 加熱區在上方之垂直往復式冷卻渠道混合對流實驗

近年來因應許多工程上的需要，機械元件所需承受的熱負載也是不斷增加，

當元件處於高溫高壓下會縮短其使用的年限並且容易發生破損的現象，為解決此現象所衍生的元件損害與故障，機構熱傳效率的提昇一直是重要的研究課題。在許多機器運轉操作前,事前熱機一方面是工作安全起見,另一方面是為了使機器有更高的熱效率,而為解決機器所能承受的高熱力循環壓力與高溫以確保使用壽命,除了使用能承受更高溫高壓的材料外,更有效率的冷卻散熱系統也是一件刻不容緩的工作。

舉例來說，船舶的引擎為船舶推進的動力來源，假設引擎發生故障，將造成船舶無法正常繼續運作。而位於引擎燃燒室附近之機械元件，因長期處在高溫高壓的熱負載狀態下，容易且經常發生故障。燃燒室內之活塞，其頂部直接與汽缸內之火焰接觸，除了承受爆炸瞬間的極大壓力外，亦從燃氣中吸收了大量的熱量，若活塞頂部溫度過高，又不能及時冷卻，使用日久，將造成活塞燒損或龜裂，

這不只使引擎無法正常運轉，發揮其最大效率，引擎結構複雜，維修不易，也會使維修營運成本增加。

為因應全世界都面臨嚴重的能源危機，除了致力於發展替代能源之外，節約能源政策已在全世界所有國家努力下執行。對於船舶引擎來說，不斷攀升的石油價格增加燃油成本的花費，因此為了降低燃油成本在航運成本所佔的高比例，船舶引擎的發展將朝向低引擎轉速、高溫高壓之熱力循環等方向邁進。為了使船舶的引擎效率提昇，以最少的消耗油量產生最大的輸出動力，勢必要提高燃燒壓力，也因此增加了燃燒溫度。目前船舶柴油主機推進引擎，其內部燃燒室之最大循環壓力與溫度（Maximum cycle pressure and temperature）已高達 120 bar 及 1500℃，活塞在此高溫高壓工作環境下，經常會有損壞的情形。為因應船舶引擎的馬力輸出再提高，所造成引擎活塞熱負載增高的問題，活塞之冷卻技術必須

配合提昇，以便能將瞬間達到高溫的部分熱量帶走，降低其溫度，使得活塞材料能夠承受更高的溫度與壓力。因此對活塞內更有效之冷卻系統熱傳性能的研究，

實為現代造船工業朝向低耗油率、輸出馬力大等發展趨勢之重要研究焦點。

目前船舶用柴油主機的活塞冷卻系統種類繁多，以蘇撤（SULZER）的大型柴油主機為例，如圖 1-1，其活塞的冷卻大多採用孔道式冷卻系統。圖 1-2 為從 1968 至 1998 年，蘇撤之大型柴油機每單位活塞面積上所能承受的引擎最大輸出功率，與其相對應時間之活塞內部的冷卻系統發展過程。如圖裡所示，在這 30 年期間，柴油機內之每單位活塞面積所能負載的最大功率由 0.34 增加至 0.78

（kW /cycle cm²），除了表示活塞內部冷卻系統更有效率外，也因此使得其設計逐年複雜。在 1969 至 1979 年間，蘇撤大型柴油機的冷卻系統主要為在活塞冠內之冷卻室設計一些冷卻孔道，當活塞作往復運動時，加壓的冷卻流體經由在冷卻室下方的伸縮管進入此孔道內，待其完成熱交換後，再藉由另一伸縮管將冷卻流體送出引擎外，完成冷卻系統的循環。為了能使活塞承受更大的輸出功率，1980 年後，蘇撤採用了另一種冷卻系統。此種冷卻系統保留之前的冷卻室，但額外在活塞冠下方加裝少許的密封管道，稱之為往復運動熱管，即是利用其往復運動的特性來增加冷卻效果，又因此冷卻管道可盡量接近受熱表面，使冷卻效果大增。

在最近幾年，更出現以衝擊噴射（jet impingement）來提昇活塞內的熱傳性能，

雖然此技術有助於冷卻效率的提昇，卻也因此無形中增加了製造上的困難。

由於活塞冷卻通道內之冷卻流體會隨活塞作往復運動，其流場與其熱傳特性除與管道的幾何形狀有關外，也會受系統往復運動時所產生的往復力影響，形成脈衝流(pulsatile flow)。在過去，Grassmann and Tuma[1]在 1979 年以實驗量測一受脈動力之平滑管流，於紊流狀態下之質傳特性。結果證明其 Sh No. (Sherwood number)可增加至一般穩態管流的 250﹪。Patera and Mikic[2]指出此現象是因為流體受脈動力影響，自壁面處產生分離（separation）及回流（flow reversal）兩種混合（mixing）現象，進而增加了流場的不穩定性（hydrodynamics instability）

所造成的效果。Kim[3]等人更利用數值模擬方法，發現受脈動力影響之流場，

其熱傳特性也會受其所施的脈動力大小不同而有所差異。Nishimura[4-6]實驗與模擬，利用波浪形管道取代平滑管道研究脈動流的熱傳變化，發現隨著雷諾數增加熱傳率也有顯著的增加，其流動的型態則直接影響熱傳速率，且與往復頻率有關。Bergles[7]在 1996 年的美國國家熱傳會議邀請演講中，指出近年來工業界提昇熱傳性能的技術有環形管流（coiled tubes）、表面粗糙法（rough surface e）、

衝擊噴射（jet impingement）等實用技術。其中以表面粗糙法之內設凸起物（rib）

較被廣泛採用，於工業應用中，很多熱交換器及燃器渦輪葉片內，即利用各種不同形式之凸起物來提昇熱傳性能，因為凸起物本身穿透流場次邊界層

（sub-layer），並引生渦流（eddy）及增加紊流強度（turbulence intensity），使得熱傳性能得以提昇。而自 60 年代即有許多有關此方面的研究，例如 Webb[8]以實驗量測來探討於平滑管中加裝凸起物對熱傳性能的影響，結果證明其熱傳效果都遠比平滑管來得好。Han[9]以雷諾數從 7000 至 9000 之紊流流場在內設凸起物之方管中進行實驗，發現因加裝凸起物所受的影響，其局部 St 數（local Stanton number）可增加至平滑管的 150﹪-220﹪，往後持續性的研究大都朝向改變入口區的形狀、長度，以及改變凸起物的幾何形狀與裝設位置等方面進行。Mackley、

Tweddle and Wyatt[10]利用脈衝流流經內有嵌入擋板的管道中，結果發現 Nu. no.

(Nusselt number)跟穩流流經光滑的管壁相比明顯地增加，Mackley and Ni[11]利用脈衝流流經安插週期性擋板的管道，結果發現軸向混合 (radial mixing)效果相當良好，Chang[12]利用實驗量測方法，比較內設凸起物之靜止流場與受往復運動之動態流場的熱傳性能。結果發現往復運動下的熱傳效果，會隨著往復運動速度的增加而提昇，當達到其實驗中的最高往復運動速度時，熱傳效果可比在靜止流場中增加 45%。之後 Chang[13]又對往復平滑面反重力式盲管進行熱傳實驗，

發現於往復管中慣性力相對強度提升可提高熱傳但亦增加無因次壁溫，視管壁區間及往複數範圍，增加往復力相對強度可提高或降低無因次壁溫。

比較上述各種增加熱傳量的方法，利用被動式方法是由於受到流場在熱傳面上形成的速度與溫度邊界層妨礙熱量傳出的影響，因此熱傳效率的增加受到限制。根據熱傳導的傅利葉定律，在溫度梯度小的情況下，熱傳量也比較小。因此，

溫度邊界層的存在將限制壁面所能傳出之熱傳量。為了大幅提高高溫壁面的熱傳效率，必須移除熱傳面上的邊界層，使高溫壁面直接與低溫流體接觸，進而提高壁面與流體之間的溫度梯度，達到增加壁面熱傳量的目的。因此，Fu et al.[ 14]

採用在加熱壁面上裝置移動薄塊的方式，藉由薄塊在加熱壁面上快速地往復運動有效掃除壁面的邊界層，有效增加管道內的熱傳效果，結果顯示最大的熱傳可以增加98%；之後Florio[15]也做過類似的模擬，利用一個平板在凸塊前往復振動探討自然對流熱流的變化，發現熱傳效益在凸塊前有平板振動比沒有平板振動的情況下提升了52%。但是利用薄塊掃除溫度邊界層以增加熱傳效果的方法，由於受限於往復機構必須在溫度邊界層內才能達到要求的熱傳效益，因此無法有效的應用在具有凹槽、凸塊以及複雜幾何形狀外型的管道內壁。以上是利用振動讓熱傳增加，所以有人提出振動對熱傳的影響。例如Fu et al.[16-17]即針對密閉環境中變動加速度和振動對自然對流的影響加以探討，並發現簡明的修正公式以預測共振頻率及紐塞數的變化。Kim[18]在實驗中，發現了振動頻率變化會影響熱傳的傳遞，但是往往熱傳率的最大值不一定是在頻率最大的時候，而是會在一個特定的自然頻率下產生共鳴，稱之為共振頻率。。Fu 與Huang[19-20]利用數值分析的方法探討垂直通道中，加熱振動面之振動頻率、振幅以及雷利數（Rayleigh number）對於自然以及混合對流的影響；在相同的雷利數下，加熱面以不同的振動頻率與振動幅度之組合下，其熱傳速率有可能會小於固定不動的狀態，也就是在不同的振動頻率與雷利數組合之下可以找到一臨界振動頻率，並可利用振幅與雷利數來表示之。

對於如何改善活塞頂面溫度，在實際物理模式下廖[21]對於活塞頂部高溫面下方加裝一冷卻流道，並採取二維 ALE 方法進行數值分析，並針對不同噴入

氣流的雷諾數，活塞震盪頻率，活塞振幅，比較其熱傳效益。其結果顯示當雷諾數愈高，流體可以帶走愈多的熱；另外當活塞振動頻率愈高時，隨時間的平均熱傳率會增高；當振幅增高時，一個週期內的最高熱傳率會增高。賴[22]的研究認為，實際的活塞頂部受到引擎室爆炸的影響溫度非常之高，該區流場受溫度效應影響的比例非常大，因此自然對流效應不容忽視。因此賴模擬的過程中，加入了溫度對於自然對流的影響，並針對不同噴入氣流的雷諾數、活塞震盪頻率、活

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