驗證渠道下移流場與廖[10]的數值計算

圖 3-3 為廖[10]數值計算於ㄇ型渠道向下移動之流線圖，實驗先將鎳

鉻絲放置於ㄇ型渠道內部二維效應區之底處，並於ㄇ型渠道向下移動過程 中拍攝流場可視化如圖 3-4-(a)所示，可以發現當ㄇ型渠道向下移動時，鎳 鉻絲瞬間所產生的煙線因為走向為向下，故造成煙線撞擊ㄇ型渠道底處而 反彈，此為ㄇ型渠道向下移動的過程中，使得渠道內部之流體也擁有一個 向下之動量所導致的結果，並與廖[10]之數值計算流線圖作比對，流場走 向結果相當吻合。

爾後再將鎳鉻絲放置於ㄇ型渠道內部二維效應區之頂處，並於ㄇ型渠 道向下移動過程中拍攝流場可視化如圖 3-4-(b)所示，可以發現當ㄇ型渠道 向下移動時，鎳鉻絲瞬間所產生的煙線走向也為向下，此為ㄇ型渠道向下 移動的過程中，使得渠道內部之流體也擁有一個向下之動量所導致的結 果，並與廖[10]之數值計算流線圖作比對，流場走向結果也相當吻合。

最後將鎳鉻絲放置於延長渠道內部之流體出口處，並於ㄇ型渠道向下 移動過程中拍攝流場可視化，如圖 3-4-(c)所示，可以發現當ㄇ型渠道向下 移動時，鎳鉻絲瞬間所產生的煙線走向為向下且加速，此為ㄇ型渠道向下 移動的過程中推擠腔內流體，故延長渠道內部流體因此動量增加所導致的 結果。

3.2

ㄇ型渠道頂部之熱傳分析(紊流模式)

本章節為探討往復式運動，對於ㄇ型渠道頂部壁面的熱傳效率影響，

共分為靜態結果與動態結果，實驗參數的組合情形如表 3-1 所示，而實驗 各項參數之不準度分析則說明於附錄。

實驗首先量測靜止狀態下ㄇ型渠道頂部壁面溫度，並換算成紐塞數與 數值計算做比對，以驗證實驗機構的完備性，隨後再著手討論ㄇ型渠道於 往復運動狀態下頂部的熱傳效率分析，參數Gr/Re_h²為流場強制對流與自 然對流效應強弱的判定值，從表 3-1 中可知所有實驗組別的Gr/Reh²值都相 當微小，故可判斷本實驗為強制對流為主的流場，至於工作流體則選擇為

空氣，並於此取加熱片銅箔表面溫度T_w與進口流體溫度T_之平均溫差 Tw

 =10℃±0.1℃。

3.2.1

靜止狀態下雷諾數對熱傳之影響

ㄇ型渠道於靜止狀態下，先分別進行雷諾數為 700 與 800 之實驗，而 其頂部的實驗紐塞數與數值計算結果如表 3-2 與 3-3 所示，因實驗上所量 取的溫度為平均溫度，故表 3-2 與表 3-3 中溫度的顯示為取到小數第二位，

並探討輸入加熱片的熱能，發現從加熱片後方巴沙木以熱傳導帶走的熱比 率以前段加熱區為最小，中段加熱區域次之而後段加熱區域為最大，依照 熱能散逸的比率，可以發現ㄇ型渠道頂部之強制對流熱傳效率以前段加熱 區域為最好、中段加熱區域次之、後段加熱區域為最差。

前段加熱區域因位處流體首當其衝的區域，所以平均紐塞數為最大，

至於中段加熱區域則位處於流體平滑流過的區域，所以平均紐塞數為次 之，而後段加熱區域因位處於流體迴流區域，於此幾乎可說是自然對流效 應與強制對流效應影響相當，所以平均紐塞數為最差，因此後段加熱區域 輸入熱能從後方巴沙木散逸的比例為最大得到印證，故實驗所量測的結果 相當合理。

再者利用實驗重複性測試的方法來確保數據的可信度，所以在雷諾數 為 700 與 800 的狀態下，分別再進行了二組與一組不同溫差範圍的實驗，

其結果將顯示於圖 3-5 與圖 3-6，並且比較雷諾數為 700 與 800 的情況下，

頂部各段加熱區域彼此平均紐塞數的差異，其結果顯示皆為 7%以內，此 現象可說明本實驗的重複性測試相當良好，最後比對實驗與計算的結果，

誤差約略 10%左右，一致性相當良好。

再者比較雷諾數 700 與 800 的實驗結果，可發現當雷諾數提升，渠道 頂部的熱傳效率也有增加的趨勢，但幅度並不明顯。

圖 3-1 廖[10]數值計算ㄇ型渠道上移之流線圖

（a）鎳鉻絲放置於ㄇ型渠道內部二維效應區之底處

圖 3-2 ㄇ型渠道上移之流場可視化圖

（b）鎳鉻絲放置於ㄇ型渠道內部二維效應區之頂處

（c）鎳鉻絲放置於延長渠道內部流體出口處

圖 3-2 ㄇ型渠道上移之流場可視化圖

圖 3-3 廖[10]數值計算ㄇ型渠道下移之流線圖

（a）鎳鉻絲放置於ㄇ型渠道內部二維效應區之底處

圖 3-4 ㄇ型渠道下移之流場可視化圖

（b）鎳鉻絲放置於ㄇ型渠道內部二維效應區之頂處

（c）鎳鉻絲放置於延長渠道內部流體出口處

圖 3-4 ㄇ型渠道下移之流場可視化圖

表 3-1 實驗參數組合表

組數 Re_h F_c L_c v_c u_{o Gr/Reh}² Case1 700 0.0 0.0 0.0 0.08 Case2 700 0.0 0.0 0.0 0.08 Case3 700 0.0 0.0 0.0 0.08 Case4 800 0.0 0.0 0.0 0.07 Case5 800 0.0 0.0 0.0 0.07 Case6 700 0.01 0.5 0.08 0.08 Case7 700 0.01 0.5 0.08 0.08 Case8 700 0.05 0.5 0.15 0.08 Case9 700 0.1 0.5 0.31 0.08 Case10 900 0.01 0.5 0.06 0.05 Case11 900 0.05 0.5 0.16 0.05 Case12 900 0.1 0.5 0.31 0.05

表 3-2 Re_h 700與T_w=10℃±0.1℃之實驗數據表(室溫 25℃)

加熱片溫度 前段加熱區域 F 中段加熱區域 M 後段加熱區域 B

銅片溫度 35.10℃ 35.10℃ 35.20℃

巴沙木上方溫度 35.05℃ 34.70℃ 35.00℃

巴沙木下方溫度 33.95℃ 33.80℃ 33.90℃

輸入電壓 V 0.978V 0.791V 0.676V

輸入電流 I 106mA 86mA 73mA

輸入熱量 QI=P*V 0.103668W 0.068026W 0.049348W

巴沙木熱傳導 QB 0.02541W 0.02079W 0.02541W

QB/QI 24.5% 30.6% 51.5%

實驗 Nu no 20.1 12.2 6.1

數值 Nu no 21.5 11.3 6.8

誤差 7.0% 7.4% 11.5%

表 3-3 Re_h 800與T_w=10℃±0.1℃之實驗數據表(室溫 26.2℃)

加熱片溫度 前段加熱區域 F 中段加熱區域 M 後段加熱區域 B

銅片溫度 36.17℃ 36.17℃ 36.17℃

巴沙木上方溫度 36.10℃ 35.85℃ 36.00℃

巴沙木下方溫度 35.20℃ 35.25℃ 35.30℃

輸入電壓 V 0.972V 0.767V 0.656V

輸入電流 I 105mA 83mA 71mA

輸入熱量 QI=P*V 0.10206W 0.063661W 0.046576W

巴沙木熱傳導 QB 0.02079W 0.01386W 0.01617W

QB/QI 20.4% 21.8% 34.7%

實驗 Nu no 21.2 13 7.9

數值 Nu no 23.1 12.2 7.7

誤差 9.0% 6.2% 2.5%

圖 3-5 靜止狀態下不同溫差範圍對Re_h 700之熱傳影響圖

圖 3-6 靜止狀態下不同溫差範圍對Re_h 800之熱傳影響圖

700 Re_h  Lc= 0

0 Fc

800 Re_h  Lc= 0

0 Fc

3.2.2

往復運動下無因次振動頻率對熱傳之影響

本節內容為探討ㄇ型渠道往復運動對於渠道頂部熱傳效率的影響，分 為雷諾數與無因次振動頻率等兩部份來討論，實驗首先進行二組雷諾數

700

Re_h  、L_c 0.5、F_c 0.01之重複性測試，如圖 3-7 所示，從數據中比 對實驗重複性測試，各段加熱區域的平均紐塞數差異約略 4%以內，至於 實驗與計算的比對結果，誤差則約略 10%左右。

進一步將Re_h 700與F_c 0.01、0.05、0.1 作組合，來探討ㄇ型渠道頂 部的熱傳效率，並將其實驗結果與F_c 0(靜止狀態)作比較，如圖 3-8 所 示，在F_c 0.01的狀況下ㄇ型渠道頂部前段與中段加熱區域熱傳效率與

0

Fc 差異不大，但是在後段加熱區域卻有 32.8%的熱傳效率提升，此為 後段加熱區域的強制對流效應較不顯著，故往復運動所造成的流場不穩定 性於此對熱傳效率的影響相對重要，所以當ㄇ型渠道由靜止狀態轉換成往 復運動狀態的同時，對於強制對流效應較不顯著的區域能有較明顯的熱傳 提升效果。

由F_c 0.01、0.05、0.1 的實驗的結果得知，ㄇ型渠道頂部熱傳效率並 不會因無因次振動頻率升高而增加，特別是在F_c 0.05的狀況下，熱傳效 率為最佳，其前段加熱區域之熱傳效率較靜止狀態增加 17%，中段加熱區 域為增加 4%，後段加熱區域為增加 30%，故可推斷ㄇ型渠道的振動頻率 與其內部流場的自然頻率有一相依關係，若想要大幅度地提升ㄇ型渠道頂 部熱傳，即必頇設法找出ㄇ型渠道內部流場的自然頻率，並利用頻率共振 的原理來達成之，最後比對實驗與計算的結果，一致性相當良好，誤差約 略 10%左右。

3.2.3

往復運動下雷諾數對熱傳之影響

選取Re_h 900與F_c 0.01、0.05、0.1 作組合如圖 3-9 所示，從圖中可 發現在F_c 0.01、0.05 的情況下，實驗與計算結果顯示前段加熱區域誤差

較大，約略 10%左右，而中段與後段加熱區域一致性良好，至於F_c 0.1 時三段加熱區域兩者幾乎一致，再者將F_c 0.01、0.05、0.1 的實驗結果，

與F_c 0(靜止狀態)作比較，同樣也能發現ㄇ型渠道頂部熱傳並不因無因次 振動頻率提升而增加，其中在F_c 0.05的狀況下熱傳效率最佳，前段與後 段加熱區域的熱傳效率較靜止狀態增加 6%幅度為最大，由此可得知在高 雷諾數與低無因次振動頻率下，其熱傳效率較不顯著，即熱傳效率與靜止 狀態下差異無幾。

最後匯整Re_h 900、700 對F_c 0.01、0.05、0.1 之實驗數據，並探討 雷諾數與無因次振動頻率對於往復運動狀態的熱傳效率關係，如圖 3-10 所示可以發現，不論在何種無因次振動頻率下，高雷諾數的差異對於前 段、中段與後段加熱區域皆有熱傳提升的作用，由其是在F_c 0.01的條件 下，其前段加熱區域提升約略 15%左右為最顯著，此為高雷諾數與低無因 次振動頻率的組合時，將導致 v_c u_o值小，即ㄇ型渠道往復速度對於流體 平均速度影響有限，故前段加熱區域因進口流體直接碰撞壁面所造成的熱 傳效果會更加明顯。

本實驗雷諾數之不準度為 1.09%，紐塞數之不準度為 3.34%，無因次 振動振幅之不準度為 0.19%，無因次振動頻率之不準度為 1.05%，參數

2

Reh

/

Gr 之不準度為 2.88%，參數v_c /u_o之不準度為 1.06%，其詳細內容敘 述於附錄中。

圖 3-7 Re_h 700與F_c 0.01之實驗重複性測試圖

圖 3-8 往復運動下F_c對Re_h 700之熱傳影響圖 700 Re_h  Lc= 0.5

Tw

 =10±0.1℃

700 Re_h  Lc= 0.5

01 .

0 Fc

圖 3-9 往復運動下F_c對Re_h 900之熱傳影響圖

圖 3-10 往復運動下Re_h與F_c對熱傳之影響圖 900 Re_h  Lc= 0.5

Tw

 =10±0.1℃

Lc= 0.5 Tw

 =10±0.1℃

第四章 結論

為有效提升ㄇ型渠道頂部熱傳效率，本研究利用實驗方法於ㄇ型渠道 上裝設一往復移動機構，並藉由往復運動造成渠道頂部壁面與內部流動流 體相互撞擊，以此達成提升熱傳效率的目的，本研究對ㄇ型渠道於靜止與 往復運動狀態下，探討多組雷諾數與無因次振動頻率的組合，並將其實驗 結果與數值計算比對，以驗證實驗的可信度，最後對於往復式冷卻渠道之 熱流實驗結果，歸納成以下五個結論:

1. ㄇ型渠道處於靜止狀態下，由於噴流效果的影響，所以前段加熱 區域熱傳效率最好、中段加熱區域次之、後段加熱區域最差。

2. ㄇ型渠道處於低雷諾數狀態下，後段加熱區域的強制對流效應較 不顯著，故因往復運動所造成流場的不穩定於此對熱傳效率有增 加的趨勢。

3. ㄇ型渠道處於高雷諾數狀態下，低無因次振動頻率對其熱傳效率 影響較不顯著。

4. ㄇ型渠道處於無因次振動頻率F_c 0.05 狀態下，其熱傳效率所增

4. ㄇ型渠道處於無因次振動頻率F_c 0.05 狀態下，其熱傳效率所增

在文檔中 往復式冷卻渠道之熱流實驗 (頁 42-0)