本文描述了用于测量单相或两相管流中局部瞬时对流换热系数的方法。同时介绍了一种简单的光学方法，用于确定以恒定速度移动的细长（泰勒）气泡的长度及其传播速度。
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本文内容
摘要
摘要
本文详细描述了一种用于测量透明管道中液体流速对局部瞬时传热系数影响的测试段的制造过程。经过适当修改后，该方法还可扩展应用于气液两相流，特别关注单个细长气泡（泰勒气泡）对传热增强的影响。采用一种非侵入式热成像技术来测量由电加热的薄金属箔的瞬时温度。该金属箔被粘附于管道上开有的窄槽表面。金属箔的热惯性足够小，能够检测其瞬时温度的变化。测试段可沿管道移动，且长度足以覆盖发展中的热边界层的较大部分区域。
每次实验开始时，系统首先达到一个稳态，即水的流速和传递到箔片上的热通量保持恒定，并以此作为参考状态。随后将一个泰勒气泡注入管道中。测量由于泰勒气泡在垂直管道中上升而引起的传热系数变化，该变化作为测点与移动的泰勒气泡底端之间距离的函数。因此，所得结果表示局部传热系数。在相同条件下进行多次独立实验，可积累足够的数据，用于计算可靠的瞬态对流传热的集合平均结果。为了在随气泡移动的参考系中进行分析，必须实时掌握泰勒气泡在管道中的位置。本文详细描述了利用光学探针测量泰勒气泡长度及其平移速度的方法。
引言
几十年来，已开展了大量关于对流换热的实验研究，采用不同技术测量多种流动构型中的壁面和/或流体温度。在非稳态过程中，限制温度测量精度的因素之一是传感器响应速度较慢。为了记录局部瞬时壁面温度，测量设备必须具备足够快的响应速度，同时测温表面必须与随时间变化的流动处于热平衡状态。因此，表面的热惯性必须足够小。相关的时间尺度由引起对流换热变化的流体动力学现象决定。因此，在瞬态流动中，快速的时间响应对于记录随时间变化的温度至关重要。
为满足这些要求，使用红外相机记录一个特制的自制测试段，该测试段能够对流动中的任何变化实现快速的温度响应。管道壁的一部分被切除，并替换为一层薄的不锈钢箔。Hetsroni et al.1 曾采用过类似的方法，但他们所使用的箔片过厚，无法准确测量瞬时温度的变化，仅能提供时间平均温度。减小箔片厚度显著改善了时间响应特性。2 该方法已在实验室中应用于测量两相流中的对流换热系数3,4 以及单相管流中的瞬态现象5。
两相流实验装置的示意图见图1，有关独特进气装置的更多详细信息可参见Babin 等
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方案
1. 瞬时温度测量测试部分
- 测试段制造过程（图2）
- 截取一段至少70 cm长的管道。
注意：测试段的直径和壁厚应与实验装置中使用的管道完全相同。 - 使用铣床在测试段管道上沿轴向切出4个相邻的窄窗，每个窗口宽6 mm、长80 mm，相邻窗口之间间隔25 mm。
- 从厚度为12 µm的不锈钢箔上裁剪出40–60 cm长、12 mm宽的条状箔片。
注意：该箔片用于密封测试管上的窗口。不锈钢箔应涂有两条金线，分别靠近箔片两端，用于焊接电源导线以加热箔片，见图2。 - 使用欧姆表测量箔片的电阻。
- 按照以下步骤将箔片安装至管道内部。
- 制作一个用于插入箔片的基础支撑件，该支撑件由一段刚性管材制成，其外径等于测试管的内径。为此，从管壁上切割一段宽20 mm、长约80 cm的部分。
- 在将箔片放置于支撑件之前，先在其表面涂抹润滑脂，以便后续能将支撑件与箔片分离。
- 将箔片平铺在支撑件上并展平。用蘸有酒精的布清洁箔片表面多余的润滑脂。
- 在箔片边缘以及对应于....
- 截取一段至少70 cm长的管道。
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结果
光学传感器输出记录的一个示例如下所示 图4 在充满静止水的垂直管道中，单个泰勒气泡上升时的情况。初始较大的电压下降代表由于泰勒气泡顶端通过而导致电路断开，而随后出现的多个较短的电压下降，在信号回升至初始值之前依次发生，对应于泰勒气泡尾部通过时产生的细长气泡尾流，这些代表了位于泰勒气泡后方液相尾流中的分散气泡。两个光学探针输出信号之间存在明显的时间差，这是由于两个探针沿管道方向存在一定间距所致。本实验中，两探针间距为0.09 m。根据公式3计算得到的平移速度为 Ut=0.23 m/s；与 Dumitrescu 的结果一致13 在静止水中沿垂直管道运动的泰勒气泡：
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讨论
对瞬态管流中局部传热进行实验研究是一项复杂的任务，需要高端的测量仪器和方法，以及专门搭建的实验装置，特别是专门设计的测试段。本方案展示了一种热成像技术，能够准确测量由于流动流体动力学变化引起的壁面温度和传热速率的快速时变过程。
本文详细介绍了测试段的制造过程。装置制备中的关键步骤是用一片薄的不锈钢箔替换部分管道壁。该箔片通过电流加热，其内侧暴露于随时间变化的流场中，而外侧则由红外相机拍摄，从而检测箔片瞬时温度的任何变化。箔片的时间响应是该技术唯一的限制因素。应选择合适的箔片材料和厚度，以确保其时间响应速度相对于所研究现象的特征时间足够快。
该方法通过光学手段确定移动的泰勒气泡位置，利用红外相机实现相对于该气泡的瞬时传热测量。在本研究设定的任一工况下，通过对大量实验样本进行集合平均处理，确保获得可靠的结果。所提出的该技术可用于单相及多相流中局部瞬态传热特性的表征。
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致谢
本工作由以色列科学基金会资助，项目编号 #281/14。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 红外相机 | Optris | PI-1450 | |
| 热电偶A/D卡 | National Instruments | NI cDAQ-9714. | |
| Labview程序 | National Instruments | ||
| 环氧树脂DP-460 | 3M Scotch-weld |
参考文献
- Hetsroni, G., Rozenblit, R., Yarin, L. P. A hot-foil infrared technique for studying the temperature field of a wall. Meas. Sci. Tech. 7, 1418(1996).
- Babin, V. Experimental investigation of the local heat transfer in gas-liquid slug flow. , Tel-Aviv university. Israel. Ph.D. dissertation (2015).
- Babin, V., Shemer, L., Barnea, D. Local instantaneous heat transfer around a raising single Taylor bubble. Int. J.....
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重印与许可
