强迫与混合对流条件下水流顺掠冰柱传热特性
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摘要：通过实验研究了对流与混合对流条件下水流顺掠冰柱融化过程的相界面移动规律及传热特性。改变冰柱初始尺寸、初始冰柱温度、水流速度与温度等参数，采用工业摄像机记录了冰柱相界面的移动规律，构建了影像实验数据与冰柱相界面传热系数之间的映射关系。通过对实验结果的分析与讨论，获得结论如下：不同速度条件下的平均相界面位置变化趋势相似，相界面随时间呈单调递减幂函数形式变化；平均对流换热系数随水流速度或水流温度的增加而增大，且平均对流换热系数随时间呈递增趋势变化；在不同水流速度或水流温度条件下，Nu随着Gr/Re2先增大经过最高点后再减小；获得了水流顺掠冰柱融化过程Nu与Gr、Re、Pr及Ste之间的经验关联式。
关键词：水流顺掠冰柱；融化传热；混合对流；实验研究
中图分类号：TK02文献标志码：A文章编号：16744764（2015）03010206
Abstract：
Experiment is conducted to study The heat characteristics and moving regulation of phase change interface in the progress of water flowing along icicle under forced and mixed convection The mapping relationship between the experimental data and the heat transfer coefficient in phase change interface of icicle is established. With various initial dimensions of icicle， initial temperatures in icicle， velocities and temperatures of water， moving regulation of phase change interface of icicle is recorded using industrial cameras The results show that， The variation trend of each location of phase change interface is similar with different velocities， and the location of phase change interface decreases with time in a form of power function； the average convective heat transfer coefficient increase over time with the increase of velocity and temperature of water，with different velocities and temperatures of water， at first Nu increases steadily with Gr/Re2， however it witnesses a fall trend after reach to the peak point. Empirical correlation ofNu、 Gr、Re、Prand Ste is established.
Key words：water flowing along icicle； melting heat； mixed convection； experimental research
冰水相变传热问题广泛存在于自然界和工业领域，如水资源[1]、空间应用技术[2]及节能环保[34]等方面。冰柱虽然形式简单，但是与外界换热过程中包含了相变传热的基本现象和特征，同时也是研究其他复杂形状、现象的基础，所以，已有一些学者对此问题进行了研究。Ho等[5]采用有限差分数值模拟方法，考虑了水的密度反转特性，研究了水平放置冰柱的自然对流融化特征。Cheng等[6]在水平圆管自然对流蓄冰研究过程中，通过高速摄像方法得到了相界面变化实验数据，基于准静态条件下，建立了蓄冰率与相界面对流换热系数的计算公式。Ameen等[7]研究了冰柱置于一定气流温度条件下融化过程，获得了冰柱相界面移动规律。Yamada等[8]对沉浸在盐水中的水平冰柱融化过程进行了实验研究，通过可视化的方法分析了流体瞬态流动和相界面的移动规律。Yamada等[9]通过实验研究了相同条件下的饱和蒸汽和干空气与冰柱之间的融化过程。Scanlon等[10]采用粒子图像测速法对垂直放置于水中的冰柱融化过程进行了实验，并对建立的数值模型进行了验证。Sugawara等[11]用数值模拟方法研究了方腔中水平圆柱的冰/水相变问题，分别对凝固和融化两种过程进行了分析。
以上文献主要集中于冰柱与一定形状内流体之间的自然对流或者强迫对流换热研究，而很少涉及强迫对流与混合对流条件下，水流顺掠冰柱表面的传热研究，尤其是冰柱与流体之间整个融化过程传热分析。本文基于对此问题的考虑，首先，建立水流顺掠冰柱表面实验台，改变冰柱初始尺寸，初始冰柱温度，水流速度与温度等参数，采用工业摄像机记录了冰柱相界面的移动规律；其次，构建了基于非接触测量的圆柱相界面对流传热系数计算方法；最后，通过对实验结果的分析与讨论，获得了Nu与Gr、Re、Pr及Ste之间的经验关联式。为进一步研究冰柱与流体之间的传热研究提供了一定的经验和帮助。
1建立实验
图1为实验台原理图。实验台主要由数据采集系统、流体输配系统、温度控制系统等组成。典型的实验流程如图1中所示，启动水泵通过阀门调节整个系统的流量给整个循环系统提供稳定流量的水流，并通过阀门调节整个系统的流量。开启恒温水箱中的电加热器和制冷机循环加热系统，经搅拌器搅拌后为恒温水箱中提供温度均匀的实验水源。经过调试保证为测量段提供相应恒定温度和流量（由电磁流量计测量）。待上述各系统准备完毕时，从冷柜中取出连接吊架的冰柱并快速安装到测量段中，同时开启温度数据记录仪和图像采集系统。实验过程中要求保证冰柱的轴向方向与水流方向保持平行。实验结束后，冰柱融化过程影像保存在电脑中，用图像分析软件测量各个时刻冰柱相界面的变化情况。测量段中的水流流速由电磁流量计测量的流量除以测量段的水流断面面积获得。
冰柱的制作过程为：取长度为500 mm的PVC管道，一端封闭，并注入450 mm深度的清洁水，在管道轴线上固定一根直径4 mm，长度500 mm的圆木棒，其表面预埋热电阻。在冷冻柜中冻结成型。取出冰柱并在冰箱中静止存放24 h，使冰柱内部温度场达到均匀。
4台工业摄像机垂直于冰柱轴向按45°空间顺序，且针对冰柱中间位置设置，共记录冰柱8个边的相界面随时间变化情况，由这八个边的变化规律近似代替整个截面的变化情况。其空间布置形式如图3所示。工业摄像头1、2、3、4分别记录冰柱0°和180°、45°和225°、90°和270°、135°和315°各边的相界面变化情况。
在正式实验之前进行了不同长度冰柱融化规律的比较实验，采用的冰柱长度分别为320，480，750及900 mm。图3为的冰柱（长为480 mm）不同时间融化典型图像，截面1、2、3、4、5分别位于冰柱轴向6等分截面处，冰柱左端为来流方向。由实验得到，由于受到水流的冲刷和冰柱形状的影响，冰柱前段（截面2之前）相界面变化较为复杂，呈三维变化。冰柱后段（截面5之后）同样受到冰柱形状和绕流的影响，相界面变化较为复杂。而中间段（截面25）部分在本文的实验工况下，其融化规律基本不受冰柱融化形状的影响，其融化规律相似，其他长度与480 mm长度冰柱的融化规律相同，所以选用长度为480 mm冰柱截面4处作为研究对象。
2冰柱相界面对流传热系数计算方法
采用高速摄像实验方法研究冰柱相界面传热规律的缺点在于不能直接测量相变传热过程中显热量的变化，为了充分考虑显热传热在整个相变传热中的作用，需要计算冰柱内部温度分布，即需要构建影像实验数据与冰柱相界面传热系数之间的映射关系。
根据前期实验观察，除了冰柱前段和后段外，图3截面4处冰柱融化过程主要发生在径向方向，而轴向方向基本可以忽略，为了研究方便，假设冰柱融化过程为一维径向传热过程。如图4所示，研究对象为一半径为H的冰柱，H1为某计算时刻相界面位置，融化温度为Tm，冰柱外界环境温度为θ0，θ0>Tm，冰柱外界对流换热系数为h，冰柱的初始温度为T0， Tn（t）表示冰柱中心温度，r表示沿冰柱径向坐标，t表示时间，t1表示冰柱传热结束时间。T0
1等参数有关，除了Tn（t）外，dH1dt及H1等参数可以通过非接触测量方法直接获得。Tn（t）的值由冰柱轴心相应位置的热电阻测量获得。3结果与讨论
图5和图6分别表示不同速度条件下平均相界面位置和平均对流换热系数随时间变化图，6组实验参数均为初始水流温度16℃，初始冰柱直径80 mm，冰柱初始温度-8℃。从图5中可以看出，不同速度条件下平均相界面位置（由工业摄像机拍摄的8个边平均获得）变化趋势相似，相界面随时间呈单调递减幂函数形式。随着速度的增加冰柱完全融化的时间减小，即在单位时间内融化速率增大。
图8表示不同初始水流温度条件下平均对流换热系数随时间变化图。其实验工况如下：冰柱初始温度-8℃，冰柱直径为80 mm，水流流速为0.06 m/s。从图中可获得，在各初始水流温度条件下，平均对流换热系数随时间变化趋势相似，且随着时间变化呈递增趋势。另一方面，随着水流温度的增加，平均对流换热系数增加，同时总融化时间减小。
4结论
实验研究了强迫与混合对流条件下水流顺掠冰柱融化过程的相界面移动规律和传热特征，通过对实验结果的分析和讨论，可以得到结论如下：
1）构建了影像实验数据与冰柱相界面传热系数之间的映射关系。
2）不同速度条件下的冰柱相界面位置变化趋势相似，相界面随时间呈单调递减幂函数形式变化。
3）平均对流换热系数随水流速度或水流温度的增加而增大，且平均对流换热系数随时间变化呈递增趋势变化。
4）在不同水流速度或水流温度条件下，Nu随着Gr/Re2先变大经过最高点后，再减小。
5）获得了水流顺掠冰柱融化过程Nu与Gr、Re、Pr及Ste之间的关联式。
参考文献：
[1]
Sahagian D. Global physical effects of anthropogenic hydrological alterations： sea level and water redistribution [J]. Global and Planetary Change， 2000， 25（1）：3948.
[2] Biele J， Ulamec S， Hilchenbach M， et al. In situ analysis of Europa ices by shortrange melting probes [J]. Advance in Space Research， 2010， 48（4）：755763.
[3] Choi I S， Kim J D， Kim E. Experimental characteristics of a storage tank on a harvesttype ice storage system [J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2002， 45（7）：14071412.
[4] Soltan B K， Ardehali M M. Numerical simulation of water solidification phenomenon for iceoncoil thermal energy storage application[J]. Energy Conversion and Management， 2003， 44（1）：8592.
[5] Ho C J，Chen S. Numerical simulation of melting of ice around a horizontal cylinder [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，1986，29（9）：13591369.
[6] Cheng K C ， Indaba H ， Gilpin R. Effects of natural convection on ice formation around an isothermally cooled horizontal cylinder [J]. Journal of Heat Transfer， 1988， 110：931937.
[7] Ameen F R. Stagnationline melting of ice cylinders transverse to warm air flow[J]， International Journal of Refrigeration， 1994， 17（6）：381390.
[8] Yamada M， Fukusako S ， Kawanami T，et al. Melting heat transfer characteristics of a horizontal ice cylinder immersed in quiescent saline water[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40（18）：44254435.
[9] Yamada M， Okada M. Enhancement of the melting of an ice cylinder by the combination with the condensation of a saturated steam flow [J]. Journal of Thermal Science and Technology， 2001， 6（1）：4356.
[10] Scanlon T J， Stickland M T. An experimental and numerical investigation of natural convection melting [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2001， 28（2）：181190.
[11] Sugawara M， Komatsu Y， Beer H. Melting and freezing around a horizontal cylinder placed in a square cavity [J].Heat and Mass Transfer，2008，45 （1） ：8392.
[12] Myers T G， Mitchell S L ， Muchatibaya G. Unsteady contact melting of a rectangular crosssection material on a flat plate[J].Physics of Fluids，2008，20（10）：112.
[13] Hao Y L， Tao Y X. Heat transfer characteristics of melting ice spheres under forced and mixed convection [J].Journal of Heat Transfer， 2002， 124（5）：891903.