水平圓管自然對(duì)流換熱的剪切干涉測(cè)溫?cái)?shù)值和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、溫度場(chǎng)的測(cè)量對(duì)于科學(xué)研究和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著十分重要的意義，常規(guī)的接觸式測(cè)溫技術(shù)由于探頭的介入，不可避免的要破壞溫度場(chǎng)的原始分布。利用光學(xué)方法測(cè)量溫度場(chǎng)由于其具有非接觸測(cè)量、靈敏度高、信息量大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以得到了大量的運(yùn)用。
　　自然對(duì)流和我們的生活息息相關(guān)，加強(qiáng)自然對(duì)流現(xiàn)象的研究顯得越來(lái)越重要。大空間水平加熱圓管的自然對(duì)流問(wèn)題在工業(yè)中有很多的應(yīng)用。對(duì)于水平圓管的自然對(duì)流的研究主要采用三種方法，一是實(shí)驗(yàn)方法；二是直接求解N

2、-S方程和能量方程的數(shù)值解法；三是利用各種近似方法求解邊界層方程的分析解。傳統(tǒng)研究中，為忽略水平圓管端部效應(yīng)的影響，一般采用“一維無(wú)限長(zhǎng)”假設(shè)，這與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用對(duì)象不符合。當(dāng)水平圓管長(zhǎng)度太長(zhǎng)或管壁溫度比較高時(shí)，利用干涉法得到的壁面附近的干涉條紋會(huì)比較密而導(dǎo)致儀器無(wú)法提供足夠的分辨率。在水平圓管的自然對(duì)流中，圓管的上部存在著不斷上升的羽狀煙柱區(qū)。由于這一煙柱區(qū)不符合邊界層的假設(shè)，所以利用各種近似方法求解邊界層方程得到的分析解存在差異。

3、r>　　本文介紹了各類光學(xué)方法測(cè)試原理及在傳熱中的應(yīng)用，對(duì)普通光學(xué)干涉法、激光全息干涉法和橫向剪切干涉測(cè)溫的特點(diǎn)以及原理進(jìn)行了比較。橫向剪切干涉測(cè)溫系統(tǒng)是共光路的干涉法，實(shí)驗(yàn)中無(wú)需引入?yún)⒖疾妫垢蓴_能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠得到與全息干涉法相同的結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。橫向剪切干涉是在兩波前的重疊區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干涉圖形，所以當(dāng)將剪切量比較小時(shí)，被檢驗(yàn)波前某些位置的波相差信息不能直接得到，需基于獲得的干涉相位做相位重建才能得到待測(cè)波前。當(dāng)剪切量

4、比較大時(shí)，所獲得的干涉圖像類似于兩個(gè)并列的利用馬赫-曾得干涉儀得到的干涉圖像，不需要進(jìn)行波前重建。
　　本文對(duì)兩端開放的有限長(zhǎng)水平圓管的自然對(duì)流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用具有大剪切量的橫向剪切干涉裝置得到了不同壁溫水平圓管在自然對(duì)流條件下的實(shí)時(shí)干涉條紋。圓管溫度場(chǎng)的有效范圍受浮升力影響會(huì)蔓延到圓管頂部很高的地方。針對(duì)不滿足一維無(wú)限長(zhǎng)假設(shè)情況下圓管兩端存在的端部效應(yīng)進(jìn)行了修正，給出一定溫度范圍內(nèi)的修正系數(shù)α，并利用端部效應(yīng)修正系數(shù)得到了給

5、定線上的溫度值。當(dāng)兩端開放的水平圓管壁溫處于30℃到95℃范圍內(nèi)時(shí)，使用α=0.88進(jìn)行端部效應(yīng)修正所得溫度反演誤差不足1K。
　　求解自然對(duì)流換熱時(shí)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)是相互耦合的，即自然對(duì)流中流場(chǎng)的求解與溫度場(chǎng)的計(jì)算必須同時(shí)進(jìn)行，求解比強(qiáng)迫流動(dòng)更困難些，因此大部分是利用邊界層假設(shè)或Boussinesq假設(shè)來(lái)解決自然對(duì)流問(wèn)題。本文利用不可壓理想氣體模型和Boussinesq假設(shè)對(duì)大空間水平等溫圓管的自然對(duì)流進(jìn)行了數(shù)值模擬。利用得到的溫

6、度場(chǎng)數(shù)據(jù)反演得到被測(cè)場(chǎng)放置水平圓管時(shí)的剪切干涉條紋。利用matlab模擬了有離焦時(shí)存在象差的純背景條紋并將兩種條紋疊加得到模擬條紋，發(fā)現(xiàn)得到的模擬條紋和實(shí)驗(yàn)得到的干涉條紋十分類似。
　　當(dāng)水平圓管壁溫值高到一定程度時(shí)，干涉條紋將過(guò)分密集而難以分辨，所以大部分的研究是針對(duì)壁溫小于100oC的情況。本文利用具有大剪切量的橫向干涉裝置得到了兩端絕熱的電加熱管從450oC高溫開始降溫至環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)干涉條紋。在圓管具有一定壁溫時(shí)，圓管正上