一种湍流混合对流传热实验装置技术领域
本发明涉及一种对流传热实验装置，尤其涉及一种湍流混合对流传热实验装置。
背景技术
在换热器、电子器件冷却、楼宇设计以及航空航天等领域的对流传热过程中，许多
情况下既需要考虑由惯性力导致的强制对流作用又需考虑由浮升力导致的自然对流作用，
此时即发生混合对流传热。因此，对于混合对流传热机理的研究有重要的科学价值与工程
意义。
根据相似分析法，在流动和传热过程中雷诺数(Reynold Number)反映惯性力与粘
滞力的比值，而格拉晓夫数(Grashof Number)反映浮升力与粘滞力的比值。因此，混合对流
传热中各因素的强弱由雷诺数和格拉晓夫数共同决定。上述参数决定了相关应用系统的摩
擦阻力、传热系数、温度分布、流场特性等。近年来，许多学者对混合对流传热做了一系列理
论分析、数值模拟以及实验研究。目前，对于层流混合对流传热的研究已较为充分，而对于
湍流混合对流的研究仅限于对部分工况下传热系数关联式的总结，且对其微观流场结构和
动态流动特性的认识仍尚不明确，需要更先进的实验测试手段对其机理进行深入研究。
通过对现有的技术检索发现，中国已申请公开的关于对流传热机理研究的实验装
置，仅有针对强制对流传热或自然对流传热的实验装置，未有对考虑惯性力和浮升力耦合
作用的混合对流传热实验装置进行报导。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现在较
大范围内对雷诺数和格拉晓夫数进行连续控制的混合对流传热机理研究实验装置，该装置
可实现的格拉晓夫数达1013以上，雷诺数达105以上，同时，可实现基于粒子图像测速仪和热
线传感器的三维稳态及动态流场和温度场参数的实验测试。
为实现上述目的，本发明提供了一种湍流混合对流传热实验装置，包括相互连接
并形成流体循环回路的测试腔体、电加热系统、低温气体发生系统、气体循环系统和数据采
集系统；测试腔体用于提供进行湍流混合对流传热三维流场和温度场参数测试的实验空
间；电加热系统用于实现测试腔体的壁面的加热条件，并对加热功率进行精确控制；低温气
体发生系统用于为测试腔体提供低温气体，并可对送风温度、升降温速率等参数进行调节；
气体循环系统能够实现气体在整个湍流混合对流传热实验装置中的循环流动，为测试腔体
提供速度、温度、压力参数均匀且恒定的入口流动边界，并可对边界参数进行控制；用于关
键流动传热参数的采集、信号转换和处理。
进一步地，测试腔体为具有内部空间的六面体，包括第一加热壁面、第二加热壁
面、不锈钢壁面、第一有机玻璃壁面、第二有机玻璃壁面和可拆卸进出通道；第一加热壁面
为六面体的一个侧面，并与第二加热壁面相对；不锈钢壁面与第二有机玻璃壁面分别为六
面体的上底面和下底面；第一加热壁面与第一加热壁面和第二加热壁面邻接，并与可拆卸
进出通道所在的面相对；不锈钢壁面上设置有进风口，第二有机玻璃壁面上设置有回风口，
进风口和回风口分别与气体循环系统连接。
进一步地，第一有机玻璃壁面垂直于第二有机玻璃壁面，第一有机玻璃壁面用于
透过粒子图像测速系统(PIV)的激光光源，第二有机玻璃壁面用于进行高速相机拍照。
进一步地，第二加热壁面上每隔100nm设置有直径为8mm的测试小孔，测试小孔用
于热线风速测试探针的横向伸缩移动，并可用橡胶塞对测试小孔进行密封和打开。
进一步地，电热加热系统包括云母片电加热板、外部保温结构和与云母片电加热
板通过导线相连的可调节变压器；云母片电加热板的内侧与测试腔体的第一加热壁面和第
二加热壁面贴附固定，外保温结构安装于云母片点加热板的外侧。
进一步地，低温气体发生系统包括依次相连的液氮储罐、低温阀门、稳压阀和气液
热交换器。
进一步地，气体循环系统包括设置于测试腔体的进风口侧并依次相连的收缩段风
管、含整流网的稳压段风管、扩散段风管、循环氮气管道，收缩段风管与进风口相连通，循环
氮气管道与气液热交换器的相连；气体循环系统还包括循环风机，循环风机的一侧通过液
氮管道与气液热交换器相连，另一侧与测试腔体的回风口相连；循环氮气管道和液氮管道
分别位于气液热交换器的两侧。
进一步地，循环风机与回风口连接的管路上设置有一旁路，旁路设置有排风阀和
排风口，用于测试腔体内的压力。循环风机与气液热交换器之间设置有循环风阀。
进一步地，数据采集系统包括粒子图像测速系统(PIV)、热线风速测试系统、热流
密度传感器、电功率传感器、数据采集仪、数据处理计算机、多个温度传感器、多个压力传感
器和多个流量传感器；粒子图像测速系统通过测试腔体的有机玻璃壁面进行测速；热线风
速测试系统通过测试腔体的测试小孔进行不同离散点稳态及动态速度和温度的测量；流量
传感器用于测量循环风量和排风量，并可基于质量守恒原理计算液氮流量；热流密度传感
器采用薄膜型，并安装于测试腔体的第一加热壁面和第二加热壁面上。
本发明的湍流混合对流传热实验装置可以实现低温送风、壁面加热形式强浮升力
湍流混合对流传热中雷诺数和格拉晓夫数的连续控制，实现的格拉晓夫数可达1013以上，雷
诺数达105以上。同时，可实现基于粒子图像测速仪和热线传感器的三维稳态和动态流场参
数实验测试，可以获得不同条件下的稳态及动态温度、压力、速度以及热流密度等参数特
性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以
充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的湍流混合对流传热实验装置的立体结构图；
图2是本发明的一个较佳实施例的湍流混合对流传热实验装置的系统流程及传感
器位置布置图；
图3是本发明的一个较佳实施例的湍流混合对流传热实验装置的测试腔体的结构
示意图。
具体实施方式
如图1、2和3所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种湍流混合对流传热实验装
置，包括相互连接并形成流体循环回路的测试腔体10、电加热系统、低温气体发生系统、气
体循环系统和数据采集系统；测试腔体10用于提供进行湍流混合对流传热三维流场和温度
场参数测试的实验空间；电加热系统用于实现测试腔体10的壁面的加热条件，并对加热功
率进行精确控制；低温气体发生系统用于为测试腔体10提供低温气体，并可对送风温度、升
降温速率等参数进行调节；气体循环系统能够实现气体在整个湍流混合对流传热实验装置
中的循环流动，为测试腔体10提供速度、温度、压力参数均匀且恒定的入口流动边界，并可
对边界参数进行控制；用于关键流动传热参数的采集、信号转换和处理。
如图2和3所示，测试腔体10为具有内部空间的六面体，该六面体的内部净空间为
1000mm×1000mm×1200mm(高)。测试腔体10包括第一加热壁面(ADHE面)、第二加热壁面
(BCGF面)、不锈钢壁面(EFGH面)、第一有机玻璃壁面(ABFE面)、第二有机玻璃壁面(ABCD面)
和可拆卸进出通道(GHDC面)；第一加热壁面为六面体的一个侧面，并与第二加热壁面相对；
不锈钢壁面与第二有机玻璃壁面分别为六面体的上底面和下底面；第一加热壁面与第一加
热壁面和第二加热壁面邻接，并与可拆卸进出通道所在的面相对；不锈钢壁面上设置有直
径为200mm的进风口17，第二有机玻璃壁面上设置有直径为100mm的回风口19，进风口17和
回风口19分别与气体循环系统连接。
第一有机玻璃壁面垂直于第二有机玻璃壁面，第一有机玻璃壁面用于透过粒子图
像测速系统(PIV)的激光光源21，第二有机玻璃壁面用于进行高速相机22拍照。
第二加热壁面上每隔100nm设置有直径为8mm的测试小孔18，测试小孔18用于热线
风速测试探针22的横向伸缩移动，并可用橡胶塞对测试小孔18进行密封和打开。热线风速
测试探针的移动路径通过坐标架23进行控制。
电热加热系统包括云母片电加热板11、外部保温结构和与云母片电加热板11通过
导线相连的可调节变压器；云母片电加热板11的内侧与测试腔体10的第一加热壁面和第二
加热壁面贴附固定，外保温结构安装于云母片点加热板的外侧。
低温气体发生系统包括依次相连的液氮储罐1、低温阀门2、稳压阀3和气液热交换
器4。
气体循环系统包括设置于测试腔体10的进风口17侧并依次相连的收缩段风管9、
含整流网7的稳压段风管8、扩散段风管6、循环氮气管道5，收缩段风管9与进风口17相连通，
循环氮气管道5与气液热交换器4的相连；气体循环系统还包括循环风机14，循环风机14的
一侧通过液氮管道与气液热交换器4相连，另一侧与测试腔体10的回风口19相连；循环氮气
管道5和液氮管道分别位于气液热交换器4的两侧。循环风机14与回风口19连接的管路上设
置有一旁路，旁路设置有排风阀12和排风口13，用于控制测试腔体10中的压力。循环风机14
与气液热交换器4之间设置有循环风阀15。
数据采集系统包括粒子图像测速系统(PIV)、热线风速测试系统、热流密度传感
器、电功率传感器、数据采集仪、数据处理计算机、多个温度传感器(T1-T6)、多个压力传感
器(P1和P2)和多个流量传感器(F1和F2)；粒子图像测速系统通过测试腔体10的有机玻璃壁
面进行测速；粒子图像测速系统所需的示踪粒子通过位于扩散段风管的示踪粒子孔16进
入；热线风速测试系统通过测试腔体10的测试小孔18进行不同离散点稳态及动态速度和温
度的测量；流量传感器用于测量循环风量和排风量，并可基于质量守恒原理计算液氮流量；
热流密度传感器采用薄膜型，并安装于测试腔体10的第一加热壁面和第二加热壁面上。
其中，如图1和2所示，温度传感器T4、T5、T6设置于气液热交换器4与循环氮气管道
5相连的管道上，其中，T5和T6为串联，T4和T5为并联。压力传感器P1设置在稳压阀3和气液
热交换器4之间。温度传感器T3设置在循环风阀15与气液热交换器4之间。温度传感器T2设
置在稳压段风管8和收缩段风管9之间。温度传感器T1、压力传感器P2和流量传感器F1依次
设置在回风口19和循环风机14之间的管路上。流量传感器F2设置在排风阀12所在的旁路管
路上。
本实施例的湍流混合对流传热实验装置实现了低温送风、壁面加热形式强浮升力
湍流混合对流传热中雷诺数和格拉晓夫数的连续控制，实现的格拉晓夫数可达1013以上，雷
诺数达105以上。同时，获得了不同条件下的稳态及动态温度、压力、速度以及热流密度等参
数特性
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无
需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术
人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的
技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。