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研究生: 劉康仲
Liu, Kang-Chung
論文名稱: 內含相變化材料熱控致動器內熱流特性之探討
Thermal-Fluid Characteristics of a Phase-Change-Material Thermal Actuator
指導教授: 何清政
Ho, Ching-Jenq
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2002
畢業學年度: 90
語文別: 中文
論文頁數: 95
中文關鍵詞: 熱控制動器高寬比密度比上移動壁面矩形容器相變化材料
外文關鍵詞: PCM, rectangular enclosure
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  •   本文以數值模擬以及實驗結果來探討物理模型為一具上移動壁面之矩形容器內含有相變化材料 ( PCM ) 之熱控制動器中熱流現象的變化。其工作原理是利用相變化材料在融解過程固液相密度差造成體積膨脹的特性,來推動上移動壁面的上升,進而達到制動的目的。在數值模擬方面所考慮參數之範圍如下:高寬比為2、3、4、6與12,Pr=41.7,Ste=0.1、0.3與0.5,Sc=0, 。模擬結果顯示,萊利數對上移動壁面之位移及加熱壁平均紐賽數之影響隨容器之高寬比提昇而大幅減弱。在高寬比為12情況下,上移動壁面位移之數值預測值與一維熱傳導解析解值之平均誤差量僅為3.1%。另外,在寬寬比為12之矩形容器實驗所測得上移壁面位移量略低於相對應之數值預測。

      Results of an experimental and numerical investigation on thermal-fluid characteristics of a phase-change-material ( PCM ) thermal actuator consisting of a rectangular enclosure with a moveable upper wall are reported. The working principle of thermal actuator is utilizing volume change associated with melting process of the PCM. The parameters considered in the simulation are as follows:Asp = 2,3,4,6 and 12;Pr=41.7;Ste=0.1,0.3 and 0.5;Sc=0; . Simulation results reveal that the little influence of Rayleigh number on the displacement of upper moveable wall and the average Nusselt number of heated wall of the rectangular enclosure tends to degrade greatly with the increase of the aspect ratio. The numerical results of the displacement of the upper movableof the enclosure during melting process are found to be quite close to those predicted from the one-dimensional conduction analytical analysis. Moreover, in comparison with the experimental data for a rectangular enclosure of aspect ratio 12, the numerical results for the displacement of the upper movable wall appear somewhat overpredicted.

    摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 表目錄 VII 符號表 XII 第一章 緒 論 1   1.1 研究背景與動機 1   1.2 文獻回顧 2   1.3 本文結構 4 第二章 理論模型及數值方法 6   2-1 問題描述及物理模型 6   2-2 基本假設 7   2-3 統御方程式 8     2-3-1液相及固相之統御方程式 8     2-3-2 渦漩方程式 11     2-3-3相界面統馭方程式 14     2-4-4熱傳量及PCM融解體積之計算 15   2-4方程式的無因次化 17   2.5座標轉換 21     2-6 數值方法 24     2-6-1離散式 27   2-7 格點系統 29   2-8 程式解題流程圖 31     2-8-1 解溫度場以及流場流程圖 31     2-8-2 壓力流程圖 33   2-9 格點測試 34   2-10 結果比對 38 第三章 實驗方法與步驟 39   3-1 實驗設備 39   3-2 實驗步驟 44   3-3 上移動壁面受力分析 45   3-4 實驗不準度之估算 47 第四章 結果與討論 55   4-1 熱控致動器中的融解現象描述 55   4-2 高寬比對熱控致動器內熱流現象之影響 58   4-3 萊利數(Ra)對熱控致動器熱流現象之影響 60   4-4 史提芬數(Ste)對熱控致動器熱流現象之影響 62   4-5 實驗移動上壁面的位移高度、速度以及所產生的功 62   4-6 熱控致動器之經驗公式推導 64   4-7 數值與實驗之比較 64   4-8 一維熱傳導解析解 65 第五章 結論以及未來展望 91   5-1 結論 91   5-2 未來展望 92 參考文獻 93 表目錄 表(2- 1) 程式所使用之收斂準則及鬆弛係數表 25 表(3- 1) 18烷的基本性質表 43 表(3- 2) 各參數之最大不準度分析表 53 表(3- 3) 實驗條件及參數一覽表 54 表(4- 1) 上移動壁面平均壓力隨時間變化表 58 表(4- 2) 數值模擬各高寬比之上移動壁面位移高度之經驗公式參數表以及偏差量 64 圖目錄 圖(2- 1) 熱控致動器之物理模型 7 圖 (2- 2) 相界面與 - 正交座系統之關係圖 22 圖 (2- 3) 不等間距差分式格點系統 27 圖 (2- 4)格點系統示意圖 30 圖(2- 5) 高寬比為2,融化體積之格點測試圖 35 圖(2- 6) 高寬比為2,最小流涵值之格點測試圖 35 圖(2- 7) 高寬比為4,融解體積的格點測試圖 36 圖(2- 8) 高寬比為4,最小流涵值的格點測試圖 36 圖(2- 9) 高寬比為2,融解體積時間步伐測試圖形 37 圖(2- 10) 高寬比為2,融解體積時間步伐測試圖形 37 圖(2- 11) PCM融解率( )之結果比較圖形 38 圖(3- 1) 實驗模型 40 圖(3- 2) 實驗設備配置圖 42 圖(3- 3) 熱電偶編號以及埋設位置圖 44 圖(3- 4) 上移動壁面受力圖形 46 圖(4- 1) 在高寬比為3的矩形熱控致動器中,PCM融解過程中液體區溫度場及流場演變情形,Ra= 、Ste=0.1、Pr=41.7 (a) 、(b) 、(c) 、(d) 、(e) 、(f) 68 圖(4- 2) 在高寬比3、Ra= 、Ste=0.1的矩形容器中,加熱壁平均紐賽數隨時間分布圖 68 圖(4- 3) 在高寬比3、Ra= 、Ste=0.1的矩形容器中,加熱壁局部紐賽數值 69 圖(4- 4) 在高寬比3、Ra= 、Ste=0.1的矩形容器中,上移動壁面之運動情形 69 圖(4- 5) 在高寬比為3、Ra= 、Ste=0.1的矩形容器中,最小流涵值隨時間分佈圖 70 圖(4- 6)在高寬比為3、Ra= 、Ste=0.1的矩形容器中,速度場以及壓力分佈情形 70 圖(4- 7) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,平均紐賽數之分佈圖 71 圖(4- 8) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,平均紐賽數之分佈圖 71 圖(4- 9) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,平均紐賽數之分佈圖 72 圖(4- 10) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,平均紐賽數之分佈圖 72 圖(4- 11) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,上移動壁面運動情況 73 圖(4- 12) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,上移動壁面運動情況 73 圖(4- 13) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,上移動壁面運動情況 74 圖(4- 14) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,上移動壁面運動情況 74 圖(4- 15) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,最小流涵值之分佈圖 75 圖(4- 16) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,最小流涵值之分佈圖 75 圖(4- 17) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,最小流涵值之分佈圖 76 圖(4- 18) 固定Ra= 、Ste=0.1,比較高寬比不同下,最小流涵值之分佈圖 76 圖(4- 19) 固定高寬比為2、Ste=0.1,比較Ra不同下,平均紐賽數之分佈圖 77 圖(4- 20) 固定高寬比為3、Ste=0.1,比較Ra不同下,平均紐賽數之分佈圖 77 圖(4- 21) 固定高寬比為4、Ste=0.1,比較Ra不同下,平均紐賽數之分佈圖 78 圖(4- 22) 固定高寬比為6、Ste=0.1,比較Ra不同下,平均紐賽數之分佈圖 78 圖(4- 23) 固定高寬比為12、Ste=0.1,比較Ra不同下,平均紐賽數之分佈圖 79 圖(4- 24) 固定高寬比為2、Ste=0.1,比較Ra不同下,上移動壁面運動情況 79 圖(4- 25) 固定高寬比為3、Ste=0.1,比較Ra不同下,上移動壁面運動情況 80 圖(4- 26) 固定高寬比為4、Ste=0.1,比較Ra不同下,上移動壁面運動情況 80 圖(4- 27) 固定高寬比為6、Ste=0.1,比較Ra不同下,上移動壁面運動情況 81 圖(4- 28) 固定高寬比為12、Ste=0.1,比較Ra不同下,上移動壁面運動情況 81 圖(4- 29) 固定高寬比為2、Ste=0.1,比較Ra不同下最小流涵值分佈 82 圖(4- 30) 固定高寬比為3、Ste=0.1,比較Ra不同下最小流涵值分佈 82 圖(4- 31) 固定高寬比為4、Ste=0.1,比較Ra不同下最小流涵值分佈 83 圖(4- 32) 固定高寬比為6、Ste=0.1,比較Ra不同下最小流涵值分佈 83 圖(4- 33) 固定高寬比為12、Ste=0.1,比較Ra不同下最小流涵值分佈 84 圖(4- 34) 固定高寬比為12、Ra= ,比較Ste不同下平均紐賽數分佈 84 圖(4- 35) 固定高寬比為12、Ra= ,比較Ste不同下最小流涵值分佈 85 圖(4- 36) 固定高寬比為12、Ra= ,比較Ste不同下上移動壁面運動情況 85 圖(4- 37) 初始溫度5℃,在各高溫壁之下上移壁面位移圖 86 圖(4- 38) 初始溫度5℃,在各高溫壁之下上移壁面速度趨勢圖 86 圖(4- 39) 初始溫度10℃,在各高溫壁之下上移壁面位移圖 87 圖(4- 40) 初始溫度10℃,在各高溫壁之下上移壁面速度趨勢圖 87 圖(4- 41)在初始溫度為5℃以及10℃,各高溫狀態下,上移壁面上升所輸出之功率趨勢圖形 88 圖(4- 42) 上移動壁面位移之趨勢,在實驗以及數值模擬結果比較圖形 88 圖(4- 43) 上移動壁面上升速度,在實驗以及數值模擬結果比較圖形 89 圖(4- 44) 高寬比12之下,各萊利數下以及一維熱傳導解析解之上移動壁面位移趨勢比較 89 圖(4- 45)實驗上移壁面位移量與一維熱傳導解析解比較趨勢圖 90

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    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2002-08-27公開
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