CN115326873A - 基于dbd放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，通过以DBD反应器作为作为圆筒内的热源，提出了采用量热法测量DBD放电装置用于加热圆管内气体的热功率，采用圆管外壁面均匀布置多个测温点的方法测量壁面不同角向位置处的温度分布；进而考虑圆管壁面辐射换热和自然对流换热的耦合作用以及空气温度变化导致的热力学参数的变化，求取了圆管壁面的自然对流换热系数并通过数据拟合得到了瑞利数(Ra)的值为1.8×105≤Ra≤3.5×105范围内时圆管壁面的努塞尔数经验公式有效解决传统管道外壁面自然对流换热系数实验测量时存在的加热器电极非同心安装、电极与筒壁间存在气隙而导致的圆筒壁面受热不均匀的问题。
Description
技术领域
本发明属于圆管表面自然对流换热系数测试分析技术领域，涉及到基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法。
背景技术
受热圆筒壁面的自然对流换热在工程中具有广泛的应用，如热交换器、太阳能热水器、电厂锅炉管冷却、暖通空调系统、计算机冷却、核反应堆冷却等。这使得圆筒壁面的对流换热特性一直是研究人员关注的热点。因此，准确测量圆筒表面的自然对流换热参数对基础物理研究及不同应用场合下的传热控制具有重要的意义。
目前，针对圆筒壁面的温度分布和自然对流换热特性，研究人员主要采用实验研究方式进行分析，由于圆筒的加热方式是影响对流换热参数测量准确性的至关重要的因素，但在当前的实验研究中一般采用在圆筒内安装电加热器或者利用直流电源直接加热圆筒的方式作为热源，在实现本申请的过程中，发明人发现现有加热方式至少存在如下问题：
1.为了提供稳定的热流量，电加热器需要安装在圆筒的中心轴线位置。因此，加热器安装的同心性问题将导致圆筒受热不均匀，从而对壁面的流动和温度等实验参数的测量结果造成影响；
2.由于圆筒内热源的安装位置对壁面的对流换热具有显著的影响，热源偏离圆筒轴线会导致圆筒周围的羽流发生偏转，使传热呈现出明显的不对称性，为了解决圆筒壁面热流出现不均匀分布现象，现有技术通过在电加热器和圆筒壁面的空隙间填充各种导热系数较高的材料以增加圆筒与加热器之间的热导率，但即便在空隙中填充导热系数较高的材料后，圆筒壁面同一周向位置处的温度分布依然存在较大的不均匀性，只能通过在圆筒同一周向位置处安装多个热电偶而后求取平均温度的方式避免该影响；
3.目前实验中通常采用加热器的电功率作为加热圆筒的热功率，但由于电加热器的热效率无法达到100％，这将导致测定的热流量与实际热流量存在偏差，进而将进一步影响实验结果的准确性。
发明内容
为解决电加热器对圆筒壁面自然对流换热测量精度带来的一系列问题，本发明采用DBD反应器作为圆筒内的热源，提出基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
本发明提供了基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，该方法包括以下步骤：
S1：采用量热法测量DBD反应器向气流传递的热功率，具体包括：
S11：通过调节风机的通电频率和气体控制阀门，将入口处空气的体积流量O调节为[200L/min],并由圆筒入口处的气流温度计算得到气流密度ρin，进而通过气流质量流率计算公式
得到通气流质量流率
S12：当反应器放电达到稳定后，反应器入口处和出口处的温度基本保持不变，通过DBD反应器热功率计算公式计算得到DBD反应器的热功率Pa；
S2：采用圆筒壁面所有测温点的平均温度分析圆筒壁面的平均对流换热系数、辐射换热系数和努塞尔数；
S3：不确定性分析；
S4：试验结果及分析；
S5：得出结论。
在一种可能实施的方式中，所述DBD反应器热功率计算公式为
式中，Cp,in和Cp,out分别为反应器入口处和出口处空气的定压比热，Tin和Tout分别为反应器入口和出口处气流的温度。
在一种可能实施的方式中，所述S2步骤对应的具体实现方法如下：
S21：在圆筒壁面设置8个角向位置，并在圆筒壁面任一角向位置处由沿轴向分布区域布设7个测温点，同时采集各测温点的温度；
S22：将圆筒壁面各角向位置对应各测温点的温度进行均值处理，得到圆筒壁面任一角向位置θ处的平均温度
Tθ,i表示为圆筒壁面任一角向位置θ第i个测温点的温度，其中i表示为测温点的编号，i＝1,2,...,7；
S23：基于圆筒壁面各角向位置对应的平均温度计算圆筒壁面的平均温度
其表达式为
S24：检测外部环境温度Tair，并基于
和Tair计算单位时间内的辐射换热量Qr，其中
式中，ε为圆筒壁面的黑度，C0为绝对黑体辐射系数，dout表示为圆筒的外直径，L0表示为圆筒的长度，π表示为圆周率；
S25：计算圆筒壁面的辐射换热系数，其表达式为
式中
S26：计算圆筒壁面的对流换热系数hec，其表达式为
式中Qc表示为圆筒壁面单位时间内的对流换热量，且Qc＝Q-Qr，Q表示为单位时间内圆筒外壁面与环境间的总换热量，且Q＝Pa；
S27：计算圆筒壁面的平均努塞尔数Nu，其表达式为Nu＝hecd0/λ，式中λ表示为导热系数；
S28：计算圆筒壁面处空气的格拉晓夫数Gr、普朗特数Pr以及瑞利数Ra，其中Gr＝gαΔTdout 3/v2，
Ra＝Gr·Pr，式中，g为重力加速度，ν为运动粘度，α表示为膨胀系数，Cp表示为比热，μ表示为粘性系数。
在一种可能实施的方式中，所述S3步骤对应的具体实现方法如下：
S31：分析空气的质量流率
的不确定度
其表达式为
其中δTin表示为反应器入口处的温度不确定度，δO表示为入口处空气的体积流量不确定度；
S32：分析放电的热功率Pa的不确定度δPa，其表达式为
，其中δCp,in表示为反应器入口处空气的定压比热的不确定度，δCp,out表示为反应器出口处空气的定压比热的不确定度，δTout表示为反应器出口处的温度不确定度，a、b、c、d为常数；
S33：分析圆筒壁面的辐射换热系数的不确定度δher，其表达式为
其中δQr表示为单位时间内辐射换热量的不确定度，且
δdout表示为圆筒外直径的不确定度，δL0表示为圆筒长度的不确定度，
表示为圆筒壁面平均温度的不确定度，δTair表示为外部环境温度的不确定度；
S34：分析圆筒壁面的对流换热系数的不确定度δhec，其表达式为
其中δQc表示为单位时间内对流换热量的不确定度，且
δQ表示为单位时间内圆筒外壁面与环境间的总换热量的不确定度；
S35：分析圆筒壁面的平均努塞尔数的不确定度δNu，其表达式为
δλ表示为导热系数的不确定度。
在一种可能实施的方式中，所述S32步骤中
在一种可能实施的方式中，所述S32步骤中
在一种可能实施的方式中，所述S4步骤具体包括:
S41：分析DBD反应器放电的热效率与放电电压之间的关系，以确定DBD放电是否能够提供充足的热源；
S42：分析不同热功率对圆筒外壁面温度分布均匀性的影响，以评估DBD反应器作为圆筒内热源的可行性；
S43：将得到的努塞尔数结果与现有的关联式进行对比分析，验证实验系统和实验方法的有效性，并通过数据拟合得到瑞利数范围内新的努塞尔数关联式。
在一种可能实施的方式中，所述S5中得出的结论如下：
(1)DBD反应器作为圆筒内加热气体的热源是可行的；
(2)圆筒壁面的温度分布呈现由顶部到底部逐渐下降的趋势，且随着热功率和壁面温度的增大，在壁面与空气温差及对流扰动的影响下，管壁顶部和底部的温差呈现增大-减小-增大的趋势；
(3)与常规的在圆筒中安装电加热器的方式相比，采用DBD反应器作为热源的方式可以获得更加均匀的管壁温度，不同角向位置壁面温度的平均标准差都在3K以内；
(4)实验得到的努塞尔数和通过现有关联式计算得到的数据偏差普遍位于20％偏差带以内，努塞尔数的平均偏差大都小于10％，验证了实验测试结果的准确性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明搭建基于线-筒式DBD反应器的圆筒外表面自然对流换热特性实验系统。考虑热辐射的影响和空气热力学参数的变化，采用量热法测量反应器的热功率，采用高精度热电偶并通过在圆筒壁面布置多个测温点的方式分析圆筒壁面温度的均匀性，并计算自然对流换热参数，从而验证DBD反应器作为管道内热源的可行性和有效性。
(2)本发明通过以DBD反应器作为作为圆筒内的热源，DBD反应器具有放电均匀、放电空间大、放电功率可控、放电效率高等典型特点，DBD反应器能够在大范围内提供稳定、均匀、可控的热流，并可以使得热流通过放电通道迅速传递到圆筒壁面，因此可以有效避免因电极非同心安装、电极与筒壁间存在气隙而导致的圆筒壁面受热不均匀的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的圆筒壁面测温点的布置示意图；
图2为本发明确定圆筒表面对流换热参数的测量流程示意图；
图3为圆筒出口处的温度及热功率与DBD反应器放电电压之间的关系图；
图4为辐射对流换热系数和自然对流换热系数对比示意图；
图5为不同功率下的圆筒壁面不同角向位置处的平均温度及标准差对比图；
图6为实验测量得到的努塞尔数与关联式的对比的对比图；
图7为努塞尔数和瑞利数的拟合曲线及关联式示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
本发明提供了基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，该方法在实施前进行实验装置设置，被测圆筒的材质为氧化铝陶瓷管，其内直径din＝2rin＝30mm，外直径dout＝2rout＝40mm。采用一个同轴线筒式DBD等离子体反应器作为加热圆筒的热源，DBD反应器的高压电极为直径dh为3mm、长度L0为400mm的不锈钢棒，其安装在圆筒轴心位置。DBD反应器的接地电极为一层致密的不锈钢薄网，其紧密缠绕在圆筒的外表面。由于接地电极的热导率远大于氧化铝陶瓷管，且其厚度非常小，因此其对圆筒外表面自然对流换热的影响可以忽略。高压电极和接地电极之间通过一台交流等离子体电源(CTP-2000K交流等离子体电源)供电。反应器的放电功率fh固定为12kHz，放电电压可以通过一个外置的调压器进行调节，峰峰值电压Vpp的调节范围为0-25kV。通过改变放电电压可以调节圆筒内的放电功率和热功率。
当采用量热法测量DBD放电装置的热功率时，将一台变频风机(RB-41D-A1)通过柔性软管接入被测圆筒的入口。通过一个外置式变频器调节风机的转速，辅之以风机出口处的控制阀门可以有效调节圆筒入口处空气的流量。圆筒入口处空气的流量采用转子流量计进行测量。气流进入圆筒后通过线-筒式DBD反应器进行放电反应，被加热后的气体由圆筒出口流出。通过在圆筒入口处安装精度为±0.1K的低温热电偶，并在圆筒出口处安装精度为±1.5K的高温热电偶，分别测量圆筒入口和出口处的气流温度。采用采样频率为10Hz的多通道温度采集模块和上位机软件进行温度信号的提取，以此计算放电过程中的热功率。由于反应器向气体传递的热能中将有部分能量通过圆筒外表面与外部环境的自然对流换热散失掉，为避免该部分热量对热功率测试的影响，通过圆筒外表面紧密缠绕热导率很低且耐高温的多晶莫来石纤维的方式进行隔热处理。
当测量圆筒壁面的自然对流换热参数时，不再使用风机通入气流，而是通过DBD放电的热功率作为热源直接加热气体和圆筒。采用K-type热电偶测量圆筒壁面的温度，从而获得壁面的温度分布并计算自然对流换热参数。当采用在圆筒壁面粘贴或焊热电偶的方式时，热电偶探头及其布线将影响圆筒壁面的流动和传热。为解决该问题，待DBD反应器放电及圆筒壁面的温度稳定后，采用对圆筒壁面35个测温点逐点测量的方式获取圆筒壁面的温度分布。为了评估放电电压和热功率对同一周向位置不同轴向位置处圆壁面温度均匀性的影响，在圆筒周向的同一角度处布置7个测温点，测温点之间的间隔L1为50mm。此外，为了对比分析圆筒壁面不同角向位置处的温度分布规律，在同一轴向位置处沿角向均匀布置8个测温点，测温点之间间隔45°。待系统稳定后，依次在每个测温点持续测量10s，用10s内测得温度的平均值作为测点处的实际温度。其中圆筒壁面测温点的布置如图1所示。此外，在反应器两端安装由多晶莫来石纤维制成的圆柱形塞子，以避免圆筒两端与外部空气进行传热导致的热损失对自然对流换热参数测量造成影响。
S1：采用量热法测量DBD反应器向气流传递的热功率，具体包括：
S11：通过调节风机的通电频率和气体控制阀门，将入口处空气的体积流量O调节为[200L/min],并由圆筒入口处的气流温度计算得到气流密度ρin，进而通过气流质量流率计算公式
得到通气流质量流率
S12：当反应器放电达到稳定后，反应器入口处和出口处的温度基本保持不变，通过DBD反应器热功率计算公式计算得到DBD反应器的热功率Pa,其中
式中，Cp,in和Cp,out分别为反应器入口处和出口处空气的定压比热，Tin和Tout分别为反应器入口和出口处气流的温度；
S2：采用圆筒壁面所有测温点的平均温度分析圆筒壁面的对流换热参数，其中对流换热参数包括平均对流换热系数、辐射换热系数和努塞尔数，在整个实验过程中，确定圆筒壁面对流换热参数的测量流程参照图2所示，其具体实现方法如下：
S21：在圆筒壁面设置8个角向位置，并在圆筒壁面任一角向位置处由沿轴向分布区域布设7个测温点，同时采集各测温点的温度；
S22：将圆筒壁面各角向位置对应各测温点的温度进行均值处理，得到圆筒壁面任一角向位置θ处的平均温度
Tθ,i表示为圆筒壁面任一角向位置第i个测温点的温度，其中i表示为测温点的编号，i＝1,2,...,7；
S23：基于圆筒壁面各角向位置对应的平均温度计算圆筒壁面的平均温度
其表达式为
S24：检测外部环境温度Tair，并基于
和Tair计算单位时间内的辐射换热量Qr，其中
式中，ε为圆筒壁面的黑度，C0为绝对黑体辐射系数，dout表示为圆筒的外直径，L0表示为圆筒的长度，π表示为圆周率；
S25：计算圆筒壁面的辐射换热系数，其表达式为
式中
S26：计算圆筒壁面的对流换热系数hec，其表达式为
式中Qc表示为圆筒壁面单位时间内的对流换热量，且Qc＝Q-Qr，Q表示为单位时间内圆筒外壁面与环境间的总换热量，且Q＝Pa；
S27：计算圆筒壁面的平均努塞尔数Nu，其表达式为Nu＝hecd0/λ，式中λ表示为导热系数；
S28：为评估努塞尔数与空气物性参数间的关联性，计算圆筒壁面处空气的格拉晓夫数Gr、普朗特数Pr以及瑞利数Ra，其中Gr＝gαΔTdout 3/v2，
Ra＝Gr·Pr，式中，g为重力加速度，ν为运动粘度，α表示为膨胀系数，Cp表示为比热，μ表示为粘性系数；
需要说明的是，本发明考虑到圆筒内空气温度的变化导致的热力学参数的变化，提前计算出不同温度下空气密度ρ、粘性系数μ、比热Cp、导热系数λ以及膨胀系数α，其中热力学参数α、ν、Cp、μ、λ都在
与Tair的平均值下进行求解；
S3：不确定性分析：实验结果的不确定性主要与空气流量、气流温度、圆筒壁面温度等参数的测量误差以及圆筒尺寸的加工误差有关其，具体实现方法如下：
S31：分析空气的质量流率
的不确定度
其表达式为
其中δTin表示为反应器入口处的温度不确定度，δO表示为入口处空气的体积流量不确定度；
S32：分析放电的热功率Pa的不确定度δP，其表达式为
，其中δCp,in表示为反应器入口处空气的定压比热的不确定度，根据定压比热的经验公式，
δCp,out表示为反应器出口处空气的定压比热的不确定度，
δTout表示为反应器出口处的温度不确定度，a、b、c、d为常数；
S33：在自然对流换热特性测量中，分析圆筒壁面的辐射换热系数的不确定度δher，其表达式为
其中δQr表示为单位时间内辐射换热量的不确定度，且
δdout表示为圆筒外直径的不确定度，δL0表示为圆筒长度的不确定度，
表示为圆筒壁面平均温度的不确定度，δTair表示为外部环境温度的不确定度；
S34：在自然对流换热特性测量中，分析圆筒壁面的对流换热系数的不确定度δhec，其表达式为
其中δQc表示为单位时间内对流换热量的不确定度，且
δQ表示为单位时间内圆筒外壁面与环境间的总换热量的不确定度；
S35：分析圆筒壁面的平均努塞尔数的不确定度δNu，其表达式为
δλ表示为导热系数的不确定度；
在本发明的具体实施例中，圆筒的半径rout和圆筒的长度L0的不确定性为±0.1mm，反应器入口处的温度测量不确定性Tin为±0.1K，反应器出口处温度Tout和圆筒壁面温度Tθ,i测量的不确定性为±1.5K，流量O的不确定性为1％。
将上述参数通过上述不确定度表达式可以计算得到在不同的热功率下，质量流率
的最大不确定性为1％，热功率Pa的最大不确定性为1.01％，辐射换热系数her的最大不确定性为4.17％，自然对流换热系数hec的最大不确定性分别为5.59％，圆筒壁面的平均努塞尔数Nu的最大不确定性为5.60％。可以看出，实验结果的不确定性在可接受的范围内。
S4：试验结果及分析，具体包括:
S41：分析DBD反应器放电的热效率与放电电压之间的关系，以确定DBD放电是否能够提供充足的热源；
可以理解的是，准确测量DBD反应器用于加热圆筒的热功率是计算壁面自然对流换热参数的基础。采用前述量热法，设置DBD反应器的放电频率为12kHz，利用外置调压器调节DBD放电的峰峰值电压Vpp，使其取值范围为14kV-24kV，取值间隔0.5kV。当DBD放电反应及气体流动达到稳态时，圆筒出口处的温度基本保持不变，圆筒出口处的温度及计算得到的热功率如图3所示；
从图中可以看出，圆筒出口处气流的温度和DBD反应器用于加热气体的热功率随着峰峰值电压(Vpp)的增加而增大。当Vpp分别为14kV、18kV以及22kV时，对应的热功率分别为40.37W、164.78W以及719.00W。实际上，DBD反应器对气体的加热作用主要源于粒子间的碰撞，一方面，放电产生的高能电子与粒子和中性粒子间的非弹性碰撞产生激发态分子和电离粒子释放能量；另一方面，离子与中性粒子或自由电子发生碰撞或猝灭释放能量。随着放电电压的增加，放电间隙中气体的电离反应更加剧烈，气体中将出现更多的高能电子，从而导致放电过程中更多的能量由高能电子通过碰撞传递给重粒子，使得加热气体的热功率和气体的温度不断升高。此外，通过图3可以看出，热功率与放电电压之间基本成指数关系。
通过上述分析可知，当DBD反应器的频率恒定时，通过调节放电的峰峰值电压Vpp可以实现对热功率的有效调节，从而获得加热气体的稳定热源。因此，实验结果验证了DBD反应器作为圆筒内的热源的可行性。
S42：分析不同热功率对圆筒外壁面温度分布均匀性的影响，以评估DBD反应器作为圆筒内热源的可行性；
在具体实施方式中，根据S41中测定的放电电压与热功率之间的对应关系开展圆筒壁面的温度测量和分析实验。从图4中可以看出，随着热功率的增加，圆筒壁面的温度逐渐增大，但其增加的趋势越来越缓慢。此外，辐射换热系数her随着放电功率的增加而单调增加，且其增加的幅度很大，这是由于根据圆筒外壁面的平均温度
计算公式，辐射换热量与温度的四次方具有相关关系。此外，自然对流换热系数在热功率较低时(Q≤99.04W)随着热功率的增加而增大，但随着热功率的继续增大，其变化不明显。当热功率为40.37W时，自然对流换热系数(hec)为7.53W/(m2·K)，约为辐射换热系数(her)的1.23倍，where hec的值为6.11；当热功率为1471.66W时，hec为10.8698W/(m2·K)，仅为her的26.33％，whereher的值为41.29。因此，在较高的壁面温度下，辐射换热占据了主导地位，其对自然对流换热系数的测量不能忽略。
参照图5所示，图中用误差棒标识了每一个角向位置处7个热电偶测量温度的标准差以及同一热功率下不同角向位置处温度标准差的平均值
此外，图中还标注了圆筒底部测温点温度(θ＝0°)和顶部测温点(θ＝180°)温度的差值，以用于分析不同热功率下圆筒壁面沿角向的温度分布规律。由图5(a)-(d)可以看出，随着热功率的增大，圆筒壁面沿着角向的温度呈现如下复杂的变化趋势：
(1)当热功率较低时(Q≤99.04W)，圆筒从顶部到底部温度逐渐降低，且圆筒顶部和底部的温差随着热功率的增加逐渐增大(温差由2.67K增加到5.18K)。由于加热后的空气在重力的作用下上浮，导致圆筒顶部空气的温度高于底部。当圆筒壁面温度较低时，热空气的上浮尚未对流动形成明显的扰动，圆筒壁面与空气的间的换热以热传导为主。由于圆筒底部包围着未加热的空气，换热更加剧烈，而圆筒顶部包围着上浮的热空气，壁面与空气间的温差小，换热强度弱，由此导致圆筒顶部与底部的温差越来越大；
(2)当热功率为99.04W-414.33W时，圆筒顶部温度依然高于底部，但二者之间的温差随着热功率的增加逐渐减小(温差由5.18K减小到3.67K)。这是由于在该热功率范围内，圆筒壁面与环境空气的温差增大，瑞利数也随着圆筒壁面温度的升高而增大，热空气在浮力作用下上升更加剧烈，并对圆筒顶部形成较强的扰动，因此顶部的对流换热逐渐增加，导致圆筒顶部和底部的温差呈现逐渐减小的趋势；
(3)当热功率较大时(Q≥414.33W)，圆筒顶部和底部的温差随着热功率的增加继续增大(温差由3.67K增加到6.61K)。从物理机理而言，一方面，随着热功率的进一步增大，圆筒壁面的温度持续升高，热空气上浮后在圆筒顶部形成较厚的热边界层，抑制了顶部壁面与空气间的对流换热；另一方面，虽然圆筒壁面温度与周围空气的温差进一步增大，但空气的动力学粘度随着温度的升高逐渐增大，而空气的密度随着温度的升高逐渐减小，这导致热空气的运动粘度明显增加。根据圆筒壁面处空气的格拉晓夫数Gr、普朗特数Pr以及瑞利数Ra计算可知，在该热功率范围内，瑞利数随着空气温度的增大逐渐减小，从而减弱了圆筒顶部的羽流及对流换热强度并由此导致圆筒顶部和底部的温差进一步增大。
此外，由图5(a)-(d)中可以看出，随着DBD放电热功率的增加，圆筒壁面同一角向位置处热电偶测量温度的标注差以及不同角向位置处温度标准差
的平均值逐渐减小。这是由于随着DBD反应器放电电压的增加，圆筒内的放电均匀性得到改善，且放电区域粒子间的碰撞更加剧烈，导致圆筒内空气的加热作用以及空气对圆筒壁面的传热更加均匀，因此壁面同一角向位置处的温度分布也更加均匀。对比Shen等人关于圆柱腔内自然对流与辐射换热的实验结果可以发现，当采用电加热线圈作为热源时，空腔表面温度的标准差普遍为3K左右，而在本实验中采用线-筒式DBD反应器作为热源时，圆筒壁面的温度的平均标准差最大为2.71K，当热功率达到99.04W时，
的值已低于2K，且其值随着热功率的增大进一步减小。因此，DBD反应器比电加热器更能够保证圆筒壁面热流密度的均匀性，且可以避免因由于加热器安装的同心性问题导致的实验误差，因此从实验精度角度而言更适合作为管道内气体加热的热源。此外，为进一步提高实验结果的精度，在采用DBD反应器作为热源开展不同应用场景下的相关研究时，使反应器运行于较高的放电电压和热功率下有利于提高实验结果的准确性。
S43：将本实验得到的努塞尔数结果与目前常用的经验公式进行对比分析，验证实验系统和实验方法的有效性，并通过数据拟合得到本实验所研究瑞利数范围内的新的努塞尔数关联式。
作为优选方案，通过不同热功率下的温度分布结合瑞利数和圆筒壁面的自然对流换热努塞尔数计算结果，并将本实验获得的努塞尔数与现有关联式进行对比，如图6所示，其中现有关联式如下：
Nu＝0.456Ra0.25
Nu＝0.474Ra0.25Pr0.047
Nu＝0.424Ra0.25
Nu＝0.47Ra0.25
从图6中可以看出，由关联式计算的到的努塞尔数据都位于实验努塞尔数的20％偏差带以内。因此，本实验得到的努塞尔数数据具有较高的准确性，采用DBD反应器作为圆筒内热源的实验方法是可行的。
将本实验得到的努塞尔数拟合为以Ra为自变量的关联式，且以最常用的形式Nu＝aRab进行数据拟合。据此，采用线性拟合的方式得到本实验条件下Nu和Ra的关系，如图7所示。可以看出，实验数据点与拟合得到的直线间的决定系数R2为0.9048，表明二者的相关性较好。
根据图7中的线性拟合关系，本实验条件下的努塞尔数关联式可表示为
Nu＝0.338Ra0.2788
该关联式虽然仅仅适用于较小范围的Ra值(1.8*105≤Ra≤3.5*105)，但其为首次采用本文所提出的DBD放电作为热源的实验方法获得，考虑了圆筒壁面沿周向温度分布的不均匀性，并通过与其他研究人员得到的关联式对比验证了本关联式具有较高的精度。因此，本实验条件下的努塞尔数关联式可为相关实验研究及数值模拟研究提供参考。
S5：得出结论。
为解决常规电加热的方式作为热源测量空气中圆筒外壁面自然对流换热系数时因同心性和热源稳定向造成的测试结果准确性不高的问题，本发明考虑圆筒壁面辐射换热的影响，研究了一种采用线-筒式DBD反应器作为圆筒内热源，采用量热法计算DBD反应器的热功率，并通过圆筒外壁面温度分布计算得到一定Ra数范围内努塞尔数的关联式。本发明得到的主要结论如下：
(1)DBD反应器作为圆筒内加热气体的热源是可行的。通过改变DBD反应器的放电电压，可以实现对圆筒内气体加热功率的有效调节，且热功率与峰峰值电压间存在指数型对应关系。
(2)圆筒壁面的温度分布呈现由顶部到底部逐渐下降的趋势，且随着热功率和壁面温度的增大，在壁面与空气温差及对流扰动的影响下，管壁顶部和底部的温差呈现增大-减小-增大的趋势。
(3)与常规的在圆筒中安装电加热器的方式相比，采用DBD反应器作为热源的方式可以获得更加均匀的管壁温度，不同角向位置壁面温度的平均标准差都在3K以内。此外，随着热功率的增大，壁面温度的标准差逐渐减小。
(4)实验得到的努塞尔数和通过现有关联式计算得到的数据偏差普遍位于20％偏差带以内，努塞尔数的平均偏差大都小于10％，验证了实验测试的结果具有较高的准确性。
本发明验证了采用DBD反应器作为热源测量管道壁面自然对流换热系数的可行性和有效性。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：采用量热法测量DBD反应器向气流传递的热功率，具体包括：
S11：通过调节风机的通电频率和气体控制阀门，将入口处空气的体积流量O调节为[200L/min]，并由圆筒入口处的气流温度计算得到气流密度ρin，进而通过气流质量流率计算公式
得到通气流质量流率
S12：当反应器放电达到稳定后，反应器入口处和出口处的温度基本保持不变，通过DBD反应器热功率计算公式计算得到DBD反应器的热功率Pa；
S2：采用圆筒壁面所有测温点的平均温度分析圆筒壁面的平均对流换热系数、辐射换热系数和努塞尔数；
S3：不确定性分析；
S4：试验结果及分析；
S5：得出结论。
2.根据权利要求1所述的基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，其特征在于：所述DBD反应器热功率计算公式为
式中，Cp，in和Cp，out分别为反应器入口处和出口处空气的定压比热，Tin和Tout分别为反应器入口和出口处气流的温度。
3.根据权利要求2所述的基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，其特征在于：所述S2步骤对应的具体实现方法如下：
S21：在圆筒壁面设置8个角向位置，并在圆筒壁面任一角向位置处由沿轴向分布区域布设7个测温点，同时采集各测温点的温度；
S22：将圆筒壁面各角向位置对应各测温点的温度进行均值处理，得到圆筒壁面任一角向位置θ处的平均温度
Tθ，i表示为圆筒壁面任一角向位置θ第i个测温点的温度，其中i表示为测温点的编号，i＝1，2，...，7；
S23：基于圆筒壁面各角向位置对应的平均温度计算圆筒壁面的平均温度
其表达式为
S24：检测外部环境温度Tair，并基于
和Tair计算单位时间内的辐射换热量Qr，其中
式中，ε为圆筒壁面的黑度，C0为绝对黑体辐射系数，dout表示为圆筒的外直径，L0表示为圆筒的长度，π表示为圆周率；
S25：计算圆筒壁面的辐射换热系数，其表达式为
式中
S26：计算圆筒壁面的对流换热系数hec，其表达式为
式中Qc表示为圆筒壁面单位时间内的对流换热量，且Qc＝Q-Qr，Q表示为单位时间内圆筒外壁面与环境间的总换热量，且Q＝Pa；
S27：计算圆筒壁面的平均努塞尔数Nu，其表达式为Nu＝hecd0/λ，式中λ表示为导热系数；
S28：计算圆筒壁面处空气的格拉晓夫数Gr、普朗特数Pr以及瑞利数Ra，其中Gr＝gαΔTdout 3/v2，
Ra＝Gr·Pr，式中，g为重力加速度，ν为运动粘度，α表示为膨胀系数，Cp表示为比热，μ表示为粘性系数。
4.根据权利要求3所述的基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，其特征在于：所述S3步骤对应的具体实现方法如下：
S31：分析空气的质量流率
的不确定度
其表达式为
其中δTin表示为反应器入口处的温度不确定度，δO表示为入口处空气的体积流量不确定度；
S32：分析放电的热功率Pa的不确定度δPa，其表达式为
其中δCp，in表示为反应器入口处空气的定压比热的不确定度，δCp，out表示为反应器出口处空气的定压比热的不确定度，δTout表示为反应器出口处的温度不确定度，a、b、c、d为常数；
S33：分析圆筒壁面的辐射换热系数的不确定度δher，其表达式为
其中δQr表示为单位时间内辐射换热量的不确定度，且
δdout表示为圆筒外直径的不确定度，δL0表示为圆筒长度的不确定度，
表示为圆筒壁面平均温度的不确定度，δTair表示为外部环境温度的不确定度；
S34：分析圆筒壁面的对流换热系数的不确定度δhec，其表达式为
其中δQc表示为单位时间内对流换热量的不确定度，且
δQ表示为单位时间内圆筒外壁面与环境间的总换热量的不确定度；
S35：分析圆筒壁面的平均努塞尔数的不确定度δNu，其表达式为
δλ表示为导热系数的不确定度。
5.根据权利要求4所述的基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，其特征在于：所述S32步骤中
6.根据权利要求4所述的基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，其特征在于：所述S32步骤中
7.根据权利要求1所述的基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，其特征在于：所述S4步骤具体包括:
S41：分析DBD反应器放电的热效率与放电电压之间的关系，以确定DBD放电是否能够提供充足的热源；
S42：分析不同热功率对圆筒外壁面温度分布均匀性的影响，以评估DBD反应器作为圆筒内热源的可行性；
S43：将得到的努塞尔数结果与现有的关联式进行对比分析，验证实验系统和实验方法的有效性，并通过数据拟合得到瑞利数范围内新的努塞尔数关联式。
8.根据权利要求1所述的基于DBD放电装置的圆管表面自然对流换热系数测试分析评价方法，其特征在于：所述S5中得出的结论如下：
(1)DBD反应器作为圆筒内加热气体的热源是可行的；
(2)圆筒壁面的温度分布呈现由顶部到底部逐渐下降的趋势，且随着热功率和壁面温度的增大，在壁面与空气温差及对流扰动的影响下，管壁顶部和底部的温差呈现增大-减小-增大的趋势；
(3)与常规的在圆筒中安装电加热器的方式相比，采用DBD反应器作为热源的方式可以获得更加均匀的管壁温度，不同角向位置壁面温度的平均标准差都在3K以内；
(4)实验得到的努塞尔数和通过现有关联式计算得到的数据偏差普遍位于20％偏差带以内，努塞尔数的平均偏差大都小于10％，验证了实验测试结果的准确性。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116256390A (zh) * | 2023-04-19 | 2023-06-13 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 变热物性参数条件下圆筒内气流强制对流换热参数实验测试方法 |
| CN116519738A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-08-01 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 磁-流-热多场耦合下圆管内等离子体射流传热参数测试分析方法 |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| QIJIN ZHAO等: "Experimental investigation of the natural convection heat transfer characteristics of cylinder walls with a DBD actuator as the heat source", CASE STUDIES IN THERMAL ENGINEERING, pages 3 - 11 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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