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方法文章

管道内局部瞬时对流换热测量——单相与两相流

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DOI：

10.3791/57437

⸱

2018年4月30日

 ,  , 
1School of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Tel-Aviv University

本文内容

摘要

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。

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3

由于瞬态流动行为以及管道横截面上空隙率的影响，两相流中对流换热的研究非常复杂。因此，许多研究仅针对特定流动工况下的给定流型，提供一个平均对流换热系数6,7,8,9,10,11。然而，Donnelly et al.12 和 Liu et al.13 的论文代表了两相局部对流换热研究的实例。

本研究涉及对注入静止或流动液体中的单个细长（泰勒）气泡周围的传热测量。泰勒气泡以恒定的平移速度传播14,15,16。气泡的传播速度通过光学探针法测定，该方法由激光光源和光电二极管组成3,4。

结合红外相机和光学探针，可测量距泰勒气泡顶部或底部不同距离处的局部瞬时对流换热系数。

瞬时壁面温度可用于计算对流传热系数 h 和努塞尔数：

传热方程、努塞尔数公式、静态平衡、热分析示意图。,          (1)

其中，q 为传递至箔片的热流密度，Tw 和 T∞ 分别为壁面温度和入口水温，k 为液体导热系数，D 为管道直径。用于确定传热系数的主流温度未进行测量，以避免对流动造成干扰。

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方案

1. 瞬时温度测量测试部分

  1. 测试段制造过程（图2）
    1. 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。
    2. 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。
    3. 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。
    4. 使用欧姆表测量箔片的电阻。
    5. 按照以下步骤将箔片安装至管道内部。
      1. 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。
      2. 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。
      3. 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。
      4. 在箔片边缘以及对应于相邻窗口之间桥接区域的三个部位涂覆粘合剂。
        注意：所用粘合剂必须具有足够的强度，且初始固化时间至少为20分钟，以确保箔片粘接过程有足够操作时间；本实验采用环氧胶DP 460。
      5. 小心地将带有箔片的支撑件插入测试段，确保箔片朝上对准窗口。
        注意：此操作应由两人协作完成。
      6. 确保箔片与窗口对齐，金线应位于两个外侧窗口的边缘处。当箔片正确就位并完全覆盖窗口后，使用夹具在两端将支撑件固定到测试管上。
      7. 小心地将折叠后的自行车内胎置于支撑件下方的管道内，必要时可在内胎表面涂抹润滑脂。然后充气。充气过程中观察粘合剂在箔片上扩散并接触支撑件的情况。
        注意：充气产生的压力应确保粘合剂牢固连接管道内壁与箔片。同时使箔片贴合管道曲率，减少因箔片或粘合剂可能引起的流动干扰。
      8. 用布清除从窗口开口处溢出的多余粘合剂。
      9. 让粘合剂静置固化24小时。放气后取出内胎，并松开夹具。
      10. 按以下步骤将支撑件从箔片和管道上分离：
        1. 轻轻触碰支撑件两端，判断哪一端更容易分离，并从该端开始拆卸。
        2. 使用一根长滚轴或类似工具逐步分离原始支撑件，缓慢向管道内部推进，直至整个支撑件完全脱离，而箔片完好无损地保留在管道上。
          注意：此过程需谨慎操作以保护密封效果；若密封被破坏，则需重新制作新的传热测试管单元。
        3. 检查管道密封性：封闭管道一端，向管内注水进行检测。
    6. 用水和肥皂清洁管道内壁残留的润滑脂。
    7. 通过焊接方式将电加热导线连接至箔片上的金线。
      注意：为保护箔片连接点，建议先将一小块铜片焊接到箔片上，再将导线焊接到铜片上。
    8. 使用导热胶将T型热电偶粘贴在每个窗口的底部。这些热电偶将在后续红外相机校准过程中使用。
      注意：热电偶的温度读数通过A/D转换器由计算机记录。
    9. 用哑光黑色喷漆喷涂箔片外表面，以最大化其发射率。
  2. 对箔片施加热流密度
    1. 将来自箔片边缘的电加热导线连接至直流电源。
    2. 调节电流大小，使箔片达到所需温度。
      注意：温度不得超过管道材料的耐受极限。对于有机玻璃（Plexiglass），上限约为45 °C。但必须确保箔片充分加热，即使在流动瞬态变化导致冷却的情况下，其温度仍至少比入口水温高几度。
    3. 计算施加的热流密度：Q = I2R，其中I为施加的电流，R为箔片的电阻。
      注意：箔片外表面向空气的传热量相对于向管内水的传热量可忽略不计2。
    4. 在一条热流导线上连接一个由计算机控制的电开关，以实现对热流脉冲式启动和关闭的控制。
  3. 红外相机
    注意：    实验室所用红外相机的具体参数详见Ferhstman3,4。相机连接至计算机并由其控制。
    1. 如有可能，将红外相机安装在一组导轨上，使其可在三维空间移动，便于在测试段不同位置进行精确定位。
    2. 在开始任何测量前几分钟开启红外相机，因其内部传感器需要时间冷却至工作温度。
    3. 将红外相机置于距被测表面几厘米范围内，并处于相机焦距内，以实现清晰对焦。
      注意：根据相机分辨率，确保被测区域不小于单个像素面积。理想情况下，被测表面应覆盖多个像素。
    4. 设置红外相机的焦距。
    5. 红外相机校准过程：
      1. 按照步骤1.2施加热流密度，等待达到热稳态，即箔片上各热电偶读数稳定不变。同时使用热电偶测量实验装置周围环境温度。
        注意：该温度将作为表面反射温度输入。当表面发射率较高时，此参数影响极小。
      2. 将测得的环境温度作为红外相机的“反射温度”参数输入。
      3. 对箔片上的每个窗口，比较红外相机测得的温度与对应热电偶的记录值。调节红外相机的发射率参数，直至其温度读数与热电偶测量值一致。
        注意：可在多个热流密度条件下进行校准；但在本实验的低温范围内，发射率对此影响不敏感。实验中测得的平均发射率为0.98。

2. 泰勒气泡平移速度及其长度的测量

  1. 光学探头
    注意：    光学探头包含一个激光光源和一个光电二极管。当管道的整个横截面充满水时，激光束照射到光电二极管上，使电路闭合。当激光束遇到气泡时，光束偏离光电二极管，导致电路断开。因此可获得一个二进制信号，用于指示光学探头当前位于气泡前方还是液塞前方。
    1. 为了将传感器连接至A/D采集卡，请搭建如下电路（图3）。
    2. 打开激光器，将其对准二极管。检查电路A/D软件的数字输入端。若激光成功照射到二极管上，则电路闭合，应出现正向信号。
      注意：请确保二极管对激光器输出的波长敏感。光学传感器的数据以1 kHz的频率进行记录。

3. 实验步骤

  1. 通过法兰或管道接头将测试段连接至实验装置。
  2. 将加热电源线连接至电源，并将热电偶连接至任何计算机化温度记录仪。
  3. 将红外相机置于测试段前方的预定位置。
  4. 确保相机对准金属箔表面；在施加热流时更容易完成对焦。
  5. 施加热流（1.2），并执行红外相机的校准程序（1.3.5）。
  6. 沿测试管道放置两个光学探头
    注意：如果可能，将一个光学探头放置在红外相机对应的位置；这将实现温度测量与气泡位置之间的同步，因为气泡在红外图像中不可见。若无法实现，请务必根据气泡速度以及红外相机与光学探头之间的距离，对结果进行相应的时间偏移校正。
    1. 检查激光束是否确实照射到光电二极管并产生正向读数。
  7. 启动水泵并设定所需的流量。通过调节电源电流来施加热流。
  8. 等待直至达到稳态温度。运行计算机程序，记录单相管流的壁面温度。
    注意：为了分离Taylor气泡对对流换热系数的影响，必须首先在与两相实验相同的流量和热流条件下，测量单相流动中的对流换热系数。建议在每次独立实验前均执行此步骤。
  9. 运行控制气泡注入的计算机程序。
    注意：该程序应首先注入一个单一的Taylor气泡，然后同时使用红外相机测量壁面温度，并记录两个光学探头的二进制信号。这两项测量应保持同步，以避免记录之间产生额外的时间偏移。
  10. 在每次实验运行之间，设置足够的延迟时间，以确保系统恢复至初始条件，即壁面温度回到初始的单相稳态值。
    注意：在持续施加高热流的情况下，单相稳态流动的壁面温度可能会逐渐升高。应通过关闭热流并在实验过程中适当暂停，避免此类情况发生。

4. 数据处理

  1. 基于公式 1 计算单相稳态条件下的传热系数。
    注意：该系数不随时间变化。它将在后续分析中用作归一化因子。
    1. 对于在给定条件下记录的每一次独立事件，通过将光学探头之间的距离 L 除以气泡前端到达各光学传感器的时间间隔，来计算泰勒气泡的长度和移动速度：速度计算公式；Ut=L/(tL1-tL2)；物理公式。，其中 tL1 和 tL2 分别为气泡前端到达底部和上部光学传感器的时刻。
    2. 利用泰勒气泡的移动速度乘以其中一个光学探头开路持续的时间，计算气泡长度。
  2. 两相流瞬时局部传热系数的计算应按以下步骤进行：
    注意：尽管整个实验过程由计算机控制，但在每次实验中，泰勒气泡的长度和移动速度并非完全恒定，因此气泡到达测量点的时刻会有所变化。光学探头和红外相机的帧率不同，分别为 1000 Hz 和 30 Hz。
    1. 使用位于红外相机附近的光学探头，记录气泡前端到达的时刻。
    2. 该触发信号为红外相机的记录提供时间基准。
      注意：需要进行集合平均处理，以获得对流换热系数随气泡底部到测量点距离 z 的变化关系，其中 z=0 对应于气泡底部位置。该参数应以管道直径 D 进行归一化。
    3. 设定 z/D 的分辨率。所有在相同条件下记录的单个事件数据值，若落在规定的空间分辨率范围内，则应进行平均，以获得该距离下壁面温度的一个代表性数值。
      注意：该空间分辨率应根据红外相机的记录频率和泰勒气泡的移动速度确定。本研究中取值为 0.15–0.3。
    4. 使用公式 1 计算作为距气泡前端/底部距离函数的传热系数。
    5. 用单相流的恒定传热系数对两相流局部瞬时传热系数进行归一化。
      注意：该比值表示由于气泡通过所引起的对流换热速率相对于单相流的提升程度。

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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

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
红外相机OptrisPI-1450
热电偶A/D卡 National InstrumentsNI cDAQ-9714.
Labview程序National Instruments
环氧树脂DP-4603M Scotch-weld

参考文献

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