Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена электрическим ветром

    Настройка осветительной части включала в  себя установку оптимальной мощности источника питания диода, определяющей интенсивность свечения диода. Интенсивность свечения диода была выбрана максимальной возможной такой, чтобы не происходило засветки видеокамеры. Максимальная интенсивность источника света обеспечивает в данном случае максимальную чувствительность видеокамеры при фиксированных настройках теневого прибора. Таким образом, напряжение источника питания диода было выбрано равным 4,2 В.

    Юстировка осветительной части так же включала установление источника света и  линзы, проектирующей его изображение  в щель теневого прибора на оптическую ось теневого прибора. Положение линзы, при котором изображение источника проецируется точно в щель, определялось при помощи видеокамеры приемной части установки. Изображение источника считается спроецированным точно в щель в том случае, когда на регистрируемом изображении резкость краев щели совпадает с резкостью дорожек на светодиоде. Помимо этого, была проведена настройка параллельности краев щели лезвию ножа, что является необходимым при используемом методе обработки полученных изображений.

    Для проведения количественных измерений методом ножа и щели необходимым являлось проведение настройки теневого прибора, а точнее определение таких положений входной щели и выходного отверстия, при которых плоскость щели находилась в фокусе коллиматора, а плоскость ножа – в фокусе коллектора. При этом для установления положения ножа использовался тот факт, что при расположении ножа в фокусе коллектора, смещение лезвия приводит к равномерному изменению интенсивности изображения, в то время как при расположении ноже не в фокусе, смещение лезвия приводит к затемнению одного края изображения.

    Настройка приемной части установки включала в себя расположение объектива, проектирующего изображение изучаемого объекта и камеры на одну оптическую ось с теневым прибором, а также изучение влияния настроек камеры на результаты обработки. В работе [7] описано влияние параметра «уровень черного», который является входным аргументом для программы обработки полученных изображений. В течение всего эксперимента «уровень черного» был равен 96, что является оптимальным для получения максимальной чувствительности камеры и не приводит к срезанию значений интенсивности.

    К некоторым ошибкам в расшифровке  приводило спадание интенсивности  изображения от центра к краям (рис.11), что связано с некоторым расхождением пучка лучей, идущих из линзы в камеру в приемной части установки. Расхождение связано, прежде всего, с тем, что часть точек изображения, создаваемого в плоскости ножа, находится не на оптической оси данной линзы. Лучи, исходящие из точек изображения, находящихся в фокальной плоскости, но не лежащие на оптической оси линзы создают расходящийся пучок, края которого срезаются объективом видеокамеры, что и приводит к затемнению изображения от центра к краям. Влияние этого эффекта на расшифровку дает погрешность расшифровки 3%, однако при проведении дальнейших исследований для избавления от этой ошибки можно было бы улучшить приемную часть установки, путем замены камеры или модификации объектива имеющейся.

    

    Рис. 11. Уровни интенсивности для различных областей изображения 

    Определение стационарной температуры в случае отсутствия ветра затруднено, так как процесс установления равновесия между мощностью подаваемой к нагревателю и мощностью отводимой от него за счет теплопроводности и конвекции довольно длителен. Это объясняется тем, что процессы переноса тепла за счет теплопроводности, проходящие вблизи стенки нагревателя, происходят тем эффективнее, чем больше градиент температуры в этой области. То есть поток тепла через границу нагревателя пропорционален разности температур нагревателя и воздуха в пристеночной области. Однако за счет естественной конвекции нагретый воздух, поднимаясь вверх вдоль пластины, образует пристеночный факел, который затрудняет отвод тепла от границы нагревателя везде, кроме нижней его части. Таким образом, процесс установления стационарной температуры в случае, когда отвод тепла обусловлен только теплопроводностью и конвекцией, сильно зависит от мгновенной температуры нагревателя. Время после включения данной мощности, в течение которого устанавливается стационарная температура, было измерено и составило 90 мин. Однако в случаях, когда ожидание выхода температуры на стационар не имело практического значения, проводилась аппроксимация и экстраполяция экспериментальной зависимости, снятой по нескольким начальным точкам, кривой, имеющей насыщение. В качестве примера можно проследить процесс установления температуры при мощности нагревателя равной 5,04 Вт.

    

    Рис. 12 Определение времени установления стационарной температуры 

    Определение экспериментальной температуры  в каждой точке было получено путем  сбора показаний термистора в  течение 5 с и усреднения полученных данных.  Таким образом, время  выхода на стационар, определенное по аппроксимирующей кривой составило 92 мин, а установившаяся разность температур пластины и окружающей среды оказалась равна 32.8 К.

    Расшифровка теневой картины производилась  при помощи программы ShadowGui2_0.3, описанной в работе [7]. Входными аргументами программы являются начальная температура T₀, коэффициент преломления среды n₀ при температуре T₀, ширина открытой части изображения щели, длина неоднородности, фокусное расстояние главных объективов, «уровень черного», и имена файлов изображений до нагревания пластины и после.

    Ширина  входной щели осветительной части  теневого прибора равна 0,85 мм, однако при измерении ширины щели с помощью маховика перемещения ножа, значение разности положений маховика при полностью открытой и полностью закрытой щели оказалось равно 0,89 мм, что связано с волновыми эффектами, возникающими при закрытии изображения щели ножом. В связи с этим, при расшифровке теневых картин, в качестве ширины открытой части изображения щели использовалось значение, отсчитанное от положения ножа, при котором щель полностью открыта.

    Для определения начальной температуры  T₀ были использованы терморезисторы. Коэффициент преломления воздуха при температуре T₀ и атмосферном давлении P однозначно связан с T₀ формулой:

     ,  (17)

    где - коэффициент преломления воздуха при температуре 15 ^оС  и давлении равном 760 мм.рт.ст.

     = 1.00028392

    Для получения более верного распределения градиента температуры, результаты, полученные в ходе проведения эксперимента, нужно умножать на коэффициент 1/k=1/1.205=0.83, что основано исследовании, приведенном в работе [8].

    Была  проведена серия экспериментов, в результате которых было восстановлено  поле температуры вблизи поверхности  нагревателя. Восстановление градиента  температуры при помощи теневых картин производилось при помощи программы ShadowGui2_0.3. Для получения поля температуры была разработана программа fun.m, входными аргументами которой являются имя импортированной в рабочую область матрицы градиента температуры, масштаб в мм/пиксель, температура окружающей среды T₀ (при задании T₀=0 результатом работы программы является величина перегрева, а не температура в точке пространства). Влияние электрического ветра в данном случае не рассматривалось, восстановление поля перегрева проводилось для случая естественной конвекции от вертикальной пластины нагревателя. Исследование проводилось для 9 значений температуры нагревателя. Температура окружающей среды T0=293.7 К, атмосферное давление P=760 мм.рт.ст.

    В первом случае температура нагревателя, измеренная при помощи термистора была равна T=321 К и величина перегрева составила 27,3 К. 
 

    

    Рис.13 Начальный кадр и теневая картина 

    Поверхность нагревателя на рис. 13 (а) изображена черным цветом. Затемнение области вблизи поверхности пластины на рис. 13 (б) характеризует градиент температуры в этой области. Величина затемнения изображения тем больше, чем больше значение градиента в данной точке. Таким образом, можно проследить увеличение толщины пристеночного факела от нижней точки нагревателя к верхней. При этом значения градиента температуры максимальны в нижней области.

    Линейные  графики распределения интенсивности  теневой картины, градиента температуры и температуры вдоль пути, обозначенного на рис. 13 (а) зеленым цветом представлены в таблице 1. 

    Таблица 1. Линейные распределения.

	Из графика  видно, что освещенность минимальна в области, соответствующей изображению нагревателя. Вследствие дифракции на границе непрозрачного объекта, вблизи пластины имеется локальный максимум освещенности, дальнейшее распределение характеризует градиент показателя преломления и температуры.
	Толщину теплового факела можно определить как полуширину графика градиента температуры. В данном случае эта величина оказывается равной 5 мм.
	Из графика  видно, что наибольший спад температуры происходит на расстоянии толщины теплового факела. Значение температуры нагревателя восстановленное при помощи теневого метода отличается от значения, измеренного термистором на 2.1 K .

 

    После восстановления градиента температуры и температуры в пространстве возле нагревателя, были получены следующие распределения: 

    

    Рис. 14.Распределение градиента температуры (а) и температуры (б) 

    На  контурных графиках, приведенных  на рис. 14 видно увеличение толщины  теплового пристеночного слоя от нижней к верхней точке пластины. На рис. 15 приведены изображения распределений температуры в тепловом пристеночном слое для значений перегрева пластины 21,6; 14,7; 8,72; 5,9 на графиках а), б), в) и г) соответственно. Пристеночный факел образуется за счет того, что градиент температуры вблизи поверхности нагревателя обуславливает передачу тепла воздуху, находящемуся в слое воздуха, близком к пластине. Однако нагретый воздух, расширяясь, поднимается, то есть приобретает компоненту скорости, направленную вдоль пластины. Поток тепла, уносимый вместе с веществом, составляет конвективную часть теплового потока, отводимого от нагревателя. Как показывает моделирование, величина потока тепла, отводимого от пластины за счет теплопроводности, отличается от значений потока за счет конвекции на 2 порядка, поэтому большая часть тепла, переданного среде нагревателем, уносится вверх, а не в направлении обратном направлению градиента температуры (на представленных графиках вправо).

    

    Рис. 15. Зависимость толщины теплового слоя и величины перегрева воздуха в нем от температуры нагревателя 

    Ниже  приведено распределение температуры  вдоль пути, обозначенного на рис. 13.Кривые, соответствующие величинам перегревов, распределение которых представлено на рис. 15 a), б) и т.д. обозначены синим, красным, розовым и зеленым цветом соответственно. Заметно, что форма распределения не меняется с увеличением температуры нагревателя.

    

    Рис. 16. Распределение перегрева 

    О толщине теплового слоя при данных перегревах можно судить по графику распределения градиента.

    

    Рис.17 Распределение градиента 

    Осцилляции  графиков распределения градиента  вдоль пути обусловлены влиянием шума камеры.

    По  восстановленным величинам перегрева, а также величинам перегрева  пластины, измеренным при помощи термистора, была получена следующая зависимость, характеризующая точность расшифровки теневых картин.

    

    Рис. 18. Относительная погрешность определения  перегрева 

    Таким образом, расшифровка теневых картин в исследовании проводилась с погрешностью 8,5 %.  

    Исследование  интенсификации охлаждения нагревателя электрическим  ветром. 

    Эксперимент 1. Определение оптимального расположения гребенки игл относительно нагревателя. 

    Теплообмен  нагревателя с окружающей средой происходит посредством теплопроводности и посредством конвекции. Эти два процесса протекают одновременно и взаимосвязано. Известно, что для хорошо изученного как с точки зрения численного моделирования, так и экспериментально, случая естественной конвекции от вертикального нагревателя, распределение толщины пристеночного факела вдоль высоты пластины неравномерно, ширина теплового слоя увеличивается от нижней точки к верхней (рис. 15). Поток тепла с поверхности нагревателя за счет теплопроводности – величина, пропорциональная градиенту температуры, который уменьшается при увеличении толщины теплового слоя.

    Толщина пристеночного теплового слоя максимальна  в верхней точке нагревателя, что означает, что теплообмен с  окружающей средой в этой точке более  всего затруднен. При помощи электрического ветра тепловой слой в этой области может быть разрушен, тем самым интенсифицирован теплообмен нагревателя с окружающей средой в этой точке. Таким образом, было выдвинуто предположение о том, что перегрев пластины будет зависеть от расположения активного электрода по вертикали (рис. 19).