0040-輕型冷藏車車廂總成設(shè)計【全套12張CAD圖+說明書】

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Tzeng是一位中華人民共和國臺灣ChienKuo科技大學(xué)機(jī)械工程副教授，他在1999年從中華人民共和國臺灣國立清華大學(xué)獲得博士學(xué)位。他的主要研究領(lǐng)域是車輛工程設(shè)計，實驗性熱傳遞，為汽車設(shè)計計算流體動力和發(fā)動機(jī)冷卻。 K.David Huang是一位臺灣國立臺北科技大學(xué)車輛工程教授，他在1992年獲得美國密歇根大學(xué)的博士學(xué)位。他的主要研究領(lǐng)域是混合動力電動車，混合氣動力系統(tǒng)，金屬燃料電池，智能車艙和車輛動力總成系統(tǒng)的冷卻技術(shù) 吳泰生是一名中華人民共和國臺灣大葉大學(xué)車輛工程研究生院的研究生，他的主要研究領(lǐng)域是黏性耦合器單元的冷卻 1．引言 在過去十年，汽車技術(shù)的發(fā)展十分迅速。汽車用戶的關(guān)注焦點已經(jīng)從常規(guī)汽車轉(zhuǎn)移到專用車輛，比如運(yùn)動的，休閑的和爬山的。這個轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了新型多功能車的逐漸成熟。在過去的五年里，新型多功能車系統(tǒng)完成了從分時到實時系統(tǒng)的演變。后者包含了小轎車和所有全輪驅(qū)動越野車的特點。所以動力傳輸線路自動激活。一般來說，在平坦的道路上只有前輪驅(qū)動是必須的而在崎嶇或濕滑的道路上使用四輪或全輪驅(qū)動。新型多功能車的發(fā)動機(jī)動力通過變速器傳遞給動力輸出裝置、傳動軸和黏性耦合器單元。因為汽車的黏性耦合器單元通過后方的差速器向后軸和半軸進(jìn)行動力傳輸，所以在干燥平坦道路上持續(xù)運(yùn)行，可能會引起黏性耦合器單元過熱。當(dāng)后方差速器里的冷卻油的溫度超過某一臨界值時，黏性耦合器單元內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)刀片連接器會被脆弱地?zé)龎?，因此，潤滑油問題必須得到解決。 黏性耦合器單元的內(nèi)部幾何包含同軸旋轉(zhuǎn)缸體，其中內(nèi)部缸體旋轉(zhuǎn)而外部的固定。一個小空間分隔成兩個汽缸。一些學(xué)者力求分析對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)和流場。例如，泰勒(1923)在內(nèi)部超過外部旋轉(zhuǎn)缸體的基礎(chǔ)上提出了一項操作技術(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過某一特定值時，離心力造成流量不穩(wěn)，流量分布從Couette流入一系列環(huán)形渦流開始改變。當(dāng)泰勒值超過臨界值時流體循環(huán)開始成為一個不穩(wěn)定的泰勒漩渦。間隔間距的重要性，以泰勒主任流量進(jìn)行了分析（陳， 1992 ）。當(dāng)基本流程達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)下，渦流開始被一個多層的結(jié)構(gòu)支配。陳和昌（ 1992 ）在一個小差距旋轉(zhuǎn)缸體內(nèi)研究了穩(wěn)定的泰勒主任流量。分析是基于這樣的假設(shè)： 缸體間距，遠(yuǎn)小于內(nèi)缸體的平均半徑。孔和劉審查了環(huán)形Couette流量和泰勒渦流的穩(wěn)定性 (孔和劉， 1997)。他們發(fā)現(xiàn)，不穩(wěn)定的環(huán)形Couette流量在同軸旋轉(zhuǎn)缸體內(nèi)很有趣。肖等人(2002) 使用了激光光學(xué)技術(shù)探索兩個同軸缸體間波狀泰勒渦流的特點，其中內(nèi)缸體經(jīng)過充分的預(yù)加速度而外缸體靜止不動。 Mohanty等人（1995）研究了在旋轉(zhuǎn)缸體里反向循環(huán)的熱量轉(zhuǎn)移。局部傳熱在各種不同的長-直徑比率的缸體上進(jìn)行測量。李和Minkowycz (1989) 試驗性地調(diào)查了其中有一個缸體旋轉(zhuǎn)的兩個同軸缸體的傳熱特性。他們的試驗結(jié)果提供了進(jìn)一步的洞察，在高溫轉(zhuǎn)移但是低壓下降中一個熱交換裝置是必須的。Jakoby等（1999）調(diào)查在一個有旋轉(zhuǎn)內(nèi)缸體和軸向流的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的循環(huán)和熱傳遞。雖然幾何非常簡單，但是當(dāng)超過穩(wěn)定的值時，流場開始變得非常的復(fù)雜。加德納與sabersky （ 1978年），simmers和康尼（ 1979 ） ，貝克爾和凱（ 1962 ）和Kataoka (1997)等研究了旋轉(zhuǎn)缸體間環(huán)形間隙里的熱傳遞。渦流流量的起始顯示了一個強(qiáng)大的熱傳遞效應(yīng)，因此，在開始的時候?qū)醾鬟f和環(huán)流的聯(lián)系進(jìn)行預(yù)測是重要的。Hayase (1992a， 1992b)等考慮了含有旋轉(zhuǎn)內(nèi)缸體的兩個同軸缸體之間的二維和三維層流，同時調(diào)查了內(nèi)部的缸體腔。他們的調(diào)查結(jié)果顯示當(dāng)內(nèi)缸體腔大于外缸體腔的時候流量和熱傳遞是更強(qiáng)的。 許多作品(阿里2000年；李等，1997年；哈德森等，1978年；Baier等，2000)調(diào)查在共缸體內(nèi)由離心力引起的不穩(wěn)定流。Andereck 等(1986)設(shè)想獨(dú)立的同軸旋轉(zhuǎn)缸體之間的循環(huán)。流量在一個包含各種渦流的環(huán)形Couette系統(tǒng)中起主要作用。各種不同的狀態(tài)在他們對稱旋轉(zhuǎn)和反射之下被區(qū)別。astill （ 1964年）研究了含有內(nèi)旋轉(zhuǎn)缸體的兩個同軸缸體的開發(fā)流程。以內(nèi)旋轉(zhuǎn)缸體壁附近開始出現(xiàn)一系列振蕩波為不穩(wěn)定的開始，當(dāng)流體順流移動，波動延伸向外，最后卷曲引起對渦流。當(dāng)連續(xù)的流量沿輸送管向前發(fā)展，流量和細(xì)胞都呈梯形。 這項研究實驗性地闡明了黏性耦合器單元和強(qiáng)制對流以及各種周期的腔的熱傳遞和流動特點。試驗部分是一個具有真實參數(shù)和實際尺寸的動力傳輸系統(tǒng)，使其盡可能地在試驗條件下模擬實際操作范圍。在這個試驗中，寬度的環(huán)狀分布的肋條被利用，長寬比有5/3, 7.5/3 and 10/3。相應(yīng)的，流場的渦流可以增加，以改善潤滑油和增加傳熱接觸面的冷卻油。在這個實驗中，不僅測量溫度分布，而且分析和比較了局部傳熱系數(shù)來解釋局部高溫導(dǎo)致刀片損壞的可能，同時也確定了環(huán)狀分布肋條的最佳尺寸作為設(shè)計基準(zhǔn)。相應(yīng)的，我們對環(huán)狀分布肋條長寬比在熱傳遞方面影響的了解改善了。預(yù)計外部冷卻油強(qiáng)制循環(huán)和克服流動阻力的限制將導(dǎo)致熱效率的顯著提升。這項工作調(diào)查了節(jié)約成本和高效潤滑油的聯(lián)系，其中包括一份對溫度測量和流場觀察的深入分析報告。建議考慮以實驗為依據(jù)的實際因素下局部溫度分布系數(shù)變化的相互關(guān)系。這個關(guān)系在設(shè)計新型多功能車黏性耦合器單元中是有用的。 2．實驗參數(shù)分析 潤滑油的不良表現(xiàn)引起黏性耦合器單元的損壞是典型的。因此，對控制黏性耦合器單元內(nèi)部運(yùn)行的物理參數(shù)進(jìn)行深入分析是必須的。影響熱傳遞和流場結(jié)構(gòu)的主要因素包括強(qiáng)制對流的影響、轉(zhuǎn)速、離心力和肋條的長寬比。局部傳熱系數(shù)hZ由網(wǎng)狀熱壁的連續(xù)變化qnet與壁溫度Tb,z和冷卻劑溫度Tb,Z之差的比率來估計；hZ= qnet/(Tb,z—Tb,Z)。網(wǎng)狀熱壁從輸送管壁到冷卻油的連續(xù)變化視內(nèi)部旋轉(zhuǎn)缸體的表面散熱而定。散熱試驗不僅在系統(tǒng)靜止時，而且在各種轉(zhuǎn)速時實施。局部溫度Tb,z由考慮輸入熱、估計熱損失和焓的變化的局部熱量平衡來確定。大部分以前的加熱原件的溫度下游是利用上游的下一站。局部努爾賽特值由局部溫度傳遞系數(shù)和液壓直徑確定是 在其中，冷卻油的熱傳導(dǎo)率Kf根據(jù)局部主體溫度估計。 3．實驗的組織和測試部分 3.1 熱傳遞的實驗裝置 該實驗裝置是特地為新型多功能車黏性耦合器單元設(shè)計的。它包括四個部分-試驗部分，旋轉(zhuǎn)軸，冷卻油系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖1介紹了測量溫度的設(shè)備。被測試的旋轉(zhuǎn)軸的主要動力來源是一個高速三相交流電動機(jī)，通過變頻器控制轉(zhuǎn)速模擬實際的旋轉(zhuǎn)，輸入電壓為220V交流電，最大安全轉(zhuǎn)速為每分鐘4000轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速利用一個光學(xué)轉(zhuǎn)速計(KYODO DENKI ATAC-152)測量，動態(tài)通過一個具有雙槽皮帶輪和一個V型帶的電動機(jī)來轉(zhuǎn)移。在這里，實驗裝置的轉(zhuǎn)速為每分鐘1200 ， 1600 ， 2000 ， 2400 ， 2800和3200轉(zhuǎn)。表1顯示實驗轉(zhuǎn)速和車輛的實際轉(zhuǎn)速。使用BP AUTRAN DX Ⅲ優(yōu)質(zhì)自動變速器油作為冷卻油和回油系統(tǒng)包含兩個油箱-一個是在常溫下存儲冷卻油的供油箱，利用供油泵在30kg/cm2的固定壓力下強(qiáng)制將冷卻油輸送至測試部分內(nèi)部；另一個是回油箱，用來收集測試部分的冷卻油和向供油箱提供恢復(fù)常溫的冷卻油。同時，流量控制器(YUKEN KOGYO FCG-02-30-30) 控制流量為0.73 × 10 -6 m 3 /s, 3.38 × 10 -6 m 3 /s, 8.26 × 10 -6 m 3 /s 和14.60 x10 -6 m 3 /s 。 圖1 實驗裝置 1：泵 5：轉(zhuǎn)換器 9：Potary刀片連接器 2：流量計 6：電動機(jī) 10：后差速器 3：油箱 7：數(shù)據(jù)記錄器 11：油箱 4：轉(zhuǎn)速表 8：計算機(jī) 表1 實驗的轉(zhuǎn)速和車的實際轉(zhuǎn)速 全輪驅(qū)動車輛的實際速度*（公里/小時） 實驗轉(zhuǎn)速（每分鐘轉(zhuǎn)速） 牽引力 *福特Escape 2.3升（全輪驅(qū)動越野車），實際的差速器最后驅(qū)動比是2.928，輪胎直徑是0.7m。 一個由銅絲和康銅絲(55%銅， 45%鎳)制成TT-T-30SLE高精密度熱電偶被用來測量來自實驗部分的信號。在測試之前，熱電偶用來自于電源的穩(wěn)定的電壓進(jìn)行焊接。熱電偶被嵌入黏性耦合器單元表面并使用混合熱固性導(dǎo)熱膠水(OMEGABOND 200)固定。每個洞充滿導(dǎo)熱膠水使接觸熱阻的影響減到最小。然后，熱電偶測量來自試驗部分的信號并輸入數(shù)據(jù)記錄器(型號：2500E); 由YOKOGAWA制造。電位差信號被轉(zhuǎn)換了成一個局部溫度。從數(shù)據(jù)記錄器得到溫度數(shù)據(jù)之后，所有數(shù)據(jù)都被輸入一臺計算機(jī)，計算機(jī)程序?qū)囟绒D(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)加以分析。 3.2 測試部分的尺寸和熱電偶的位置 測試部分的設(shè)計類似于福特制造的實時全輪驅(qū)動車ESCAPE的中央差速器，來模擬黏性耦合器單元的實際運(yùn)轉(zhuǎn)作用。測試部分的實際尺寸為L=120mm、ri=60mm、ro=67mm、D=7mm和E=4mm，環(huán)狀分布肋條的尺寸為w=5、7.5、10mm、h=3mm，AR=5/3、7.5/3和10/3。在這個實驗中，三個環(huán)狀分布肋條被裱在測試部分上以增加傳熱面積，在Ⅱ—Ⅳ情況下分別增加傳熱面積0.0209、0.0139and0.0116m2。測試部分包括34個溫度測量點，其中12個均勻分布在頂部區(qū)域的軸線方向上，12個均勻分布在底部區(qū)域的軸線方向上。它們被用來測量黏性耦合器單元的局部表面溫度分布。每個點被用于測量黏性耦合器單元圓周方向上每三十度的局部溫度分布。第六個溫度測量點在頂部和底部的0度和180度，和圖2描述的測量測試部分溫度的熱電偶的實體尺寸和位置相同。在這種情況下，測量溫度的產(chǎn)量表明對應(yīng)區(qū)域的局部溫度，使黏性耦合器單元在實際運(yùn)轉(zhuǎn)中的熱傳遞特點和冷卻方案能夠被分析。 圖2 測試部分 3.3 用于循環(huán)設(shè)想所采用的實驗裝置 測試部分是專門設(shè)計的，尺寸是真實的黏性耦合器單元的兩倍，使在這個實驗中能夠觀察流場以識別黏性耦合器單元運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的內(nèi)部流場。圖3顯示了整個流場的觀測儀器。測試部分根據(jù)旋轉(zhuǎn)刀片的四種連接方式制造，尺寸是黏性耦合器單元兩倍。環(huán)狀分布肋條的寬度有10、15和20mm，主要是因為相同的泰勒值在初期的熱傳遞實驗中應(yīng)該被考慮。假設(shè)泰勒值相同，每次圓筒的實體尺寸被加倍，旋轉(zhuǎn)速度將下降到21、260、353、442、530、620和710轉(zhuǎn)每分鐘。該圖像采集系統(tǒng)使用一臺數(shù)碼相機(jī)用來將流場的動態(tài)狀態(tài)輸入計算機(jī)。 圖3 可視循環(huán)實驗裝置 1：油箱 4：轉(zhuǎn)速計 7：測試部分 10：激光源 2：供油泵 5：電動機(jī) 8：石英玻璃支柱 3：轉(zhuǎn)換器 6：CCD 相機(jī) 9：計算機(jī) 圖4 在各種雷諾值時歐拉值的分布 4．結(jié)果和討論 根據(jù)模擬真實的新型多功能車的各種不同的轉(zhuǎn)速，應(yīng)用強(qiáng)制對流測量黏性耦合器單元和頂部和底部軸線方向上的溫度分布得到六個泰勒值和四個雷諾值。對實驗參量的不確定分析在附錄被列出。下面討論實驗的測量。 4.1 降壓的影響 討論實驗的壓力降低超過正常操作溫度范圍的影響。在本實驗中測量測試部分在四種情況下的局部傳熱得到四個雷諾值(0.053≤Re≤1.054)。根據(jù)記錄的壓降，壓力減少影響的結(jié)果用下面的歐拉值表示。 這個值代表冷卻液在黏性耦合器單元中慣性輸入和輸出的壓力比。圖5標(biāo)出了雷諾值和歐拉值之間的相互關(guān)系，歐拉值和雷諾值成反比。實驗結(jié)果表明壓力降對應(yīng)雷諾數(shù)，更大的雷諾數(shù)對應(yīng)更大的壓力減少。光滑表面和增加的環(huán)狀分布肋條表面壓力存在細(xì)小的區(qū)別。此時，四種情況下的歐拉值非常接近彼此，差別平均只有3.5%。更小的雷諾數(shù)對應(yīng)更大的歐拉值。當(dāng)雷諾數(shù)等于0.053，黏性耦合器單元環(huán)狀分布肋條的歐拉值是16.7%，超過表面光滑的黏性耦合器單元。因此，當(dāng)強(qiáng)制對流的影響上升到一個特定值(Re>0.5)，壓力的降低對黏性耦合器單元的影響已經(jīng)不大，無論是有光滑表明還是環(huán)狀分布肋條。歐拉值和雷諾數(shù)的經(jīng)驗公式可以從圖得到，Eu=d1(Re)d 2。表二顯示了相關(guān)系數(shù)。 圖5 情況Ⅰ中各種強(qiáng)制對流中的努塞爾值分布結(jié)果 表2 歐拉值的經(jīng)驗方程系數(shù) 4.2 強(qiáng)制對流的影響 強(qiáng)制對流的強(qiáng)度取決于雷諾數(shù)，從物理意義上顯示了慣性力和黏性力之比。圖5用六個泰勒數(shù)顯示了在情況Ⅰ中雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)的分布圖。實心標(biāo)志表示的位置X/D = 0.7和空白的標(biāo)志表示的位置X/D = 16.4在黏性耦合器單元的頂部。該圖顯示當(dāng)雷諾數(shù)從Re=0到Re=1.054時努塞爾數(shù)的增加，因為努塞爾數(shù)決定了強(qiáng)制對流的強(qiáng)度。更大的雷諾數(shù)對應(yīng)更有效的熱傳遞。強(qiáng)制對流測試表明，當(dāng)雷諾數(shù)超過一個預(yù)定值，它的對熱傳遞的影響明顯減弱。因此，在黏性耦合器單元的熱傳遞中冷卻劑的最佳流速必須被確定，優(yōu)于盲目增加冷卻劑的流速，這被Ta=2.856×105下的實驗所證明，其中當(dāng)雷諾數(shù)從Re=0.053, 0.266 和 0.519增加到 1.054 時對應(yīng)的努塞爾數(shù)從9.9%、31.6%和53.8%增加到60%。因此，當(dāng)雷諾數(shù)超過Re = 0.597后對熱傳遞的影響大大減少。 圖6標(biāo)出了當(dāng)黏性耦合器單元的頂部的X/D=7.9，在泰勒數(shù)最大/最小時雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)的分布。這個圖被分成二個上部，各自有四組分布對應(yīng)四種情況。在Ta=2.031×106，雷諾數(shù)給定的情況下，四個熱傳遞分布彼此類似，雷諾數(shù)的增加是造成努塞爾數(shù)逐步增加的原因。相反，在底座Ta=2.856×105的情況下，四個努塞爾數(shù)分散在特定的雷諾數(shù)上，雷諾數(shù)的增長引起努塞爾數(shù)的增長，主要是因為冷卻液的黏性。在Ta=2.031x106時，黏性耦合器單元的溫度升高而冷卻油的黏性降低。在Ta=2.856x105時，黏性耦合器單元溫度降低而冷卻油黏性變大。 圖6 情況Ⅰ—Ⅳ中各種強(qiáng)制對流影響下的努塞爾值分布 4.3 旋轉(zhuǎn)的影響 當(dāng)內(nèi)部缸體旋轉(zhuǎn)而外部缸體保持靜止出現(xiàn)而泰勒渦流，對旋轉(zhuǎn)結(jié)果的分析影響熱傳遞中泰勒數(shù)的結(jié)果。在內(nèi)外缸體的間隙的相反方向出現(xiàn)許多對旋轉(zhuǎn)的渦流，因此，在高速旋轉(zhuǎn)過程中保持交錯的溫度分布，黏性耦合器單元被局部高溫?fù)p壞。當(dāng)Ta數(shù)到達(dá)臨界值時，流場中會出現(xiàn)泰勒渦流。這個實驗需要六個在2.86x105～2.03x106范圍內(nèi)的泰勒值。因為雷諾值比較小，泰勒渦流也出現(xiàn)在流場內(nèi)部。 圖7顯示在情況I中各種泰勒值下努塞爾值的分布。此圖清楚地表明當(dāng)泰勒值從Ta=2.856×105上升到Ta=20.31×105時各種雷諾值下努塞爾值的下降，因為泰勒值控制旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度。在第一塊中并取Ta=20.31×105,泰勒值為Re=0.053時比較旋轉(zhuǎn)的影響，以此為基礎(chǔ)，Ta= 2.856x105到Ta=5.078x105時努塞爾值的比率是2.87、2.03、1.79、1.43和1.14。在第四塊中并取Ta=20.31×105,泰勒值為Re=1.054時比較旋轉(zhuǎn)的影響，以此為基礎(chǔ)，Ta= 2.856x105到Ta=5.078x105時努塞爾值的比率是2.51、2.26、1.52、1.22和1.05。比較X/D = 0.7和X/D=16.4兩種情況顯示，在所有情況下努塞爾值在X/D=0.7情況下都要超過X/D=16.4情況下，因為關(guān)于黏性耦合器單元前面X/D=0.7，供油影響接近冷卻油的入口，因此努塞爾值超過X/D=16.4情況。當(dāng)冷卻油的流動逐漸接近后差速器時，當(dāng)X/D反向變化，努塞爾值下降。后差速單元包括一個齒輪裝置和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，因此，努塞爾值減小。圖8顯示在四種情況下努塞爾值隨泰勒值的變化。如圖7分布，當(dāng)泰勒值上升，努塞爾值的分布下降。在Re=1.054的情況下，在情況I的六個泰勒值下，所有的努塞爾值都很小，但是在各種情況下的努塞爾值的分布非常類似于在Re=0.053時得到的結(jié)果。 圖7 情況I中各種泰勒值時努塞爾值的分布 圖8 情況Ⅰ—Ⅳ中各種泰勒值時的熱傳遞分布 4.4 環(huán)狀分布肋條和光滑壁之間的比較 環(huán)狀分布肋條被嵌入壁的表面以增加流場的渦流，并且改善熱傳遞的區(qū)域。然而，實驗數(shù)據(jù)不完全支持這一說法。圖9和圖10標(biāo)出了四種情況中Re=0.053和Re=1.054時局部努塞爾值的分布，比較在四種給定相同的強(qiáng)制對流的情況下最大和最小泰勒值的影響。圖9表明，黏性耦合器單元頂部的努塞爾值在Ta=2.856×105的情況Ⅱ或者Ta=2.031x106的情況Ⅰ中最大。同樣，圖10顯示黏性耦合器單元頂部的努塞爾值在Ta=2.856x105的情況中最大。在四種情況中前后部分努塞爾值不同這個事實的產(chǎn)生是因為各種環(huán)狀分布肋條被植入，歸功于溫度變化時雷諾值、泰勒值和冷卻油黏性的影響。 圖9 情況Ⅰ—Ⅳ中Re=0.053時局部努塞爾值的分布 圖10 情況Ⅰ—Ⅳ中Re=1.054時局部努塞爾值的分布 圖9和圖10清楚地顯示嵌入的環(huán)狀分布肋條阻礙了冷卻油的流動。努塞爾值在X/D=0.7和X/D=16.4時的分布比較表明，努塞爾值在情況Ⅱ中Re=0.053、Ta=2.856x105時的差別有17.8%而在情況Ⅰ中努塞爾值的差別只有12.6%。當(dāng)Re=1.054、Ta=2.856×105時，努塞爾值在情況Ⅱ中的差別有25.6%，而在情況Ⅰ中努塞爾值的差別只有8.8%。不過努塞爾值在情況Ⅱ中Ta=2.856x105最小。 圖11顯示情況Ⅱ中隨著強(qiáng)制對流的變化和循環(huán)參數(shù)，努塞爾值的平均比率倍數(shù)于情況Ⅰ。實驗的關(guān)系被確定如下 和 圖11 和Re·Ta之間的關(guān)系 表3列出了在情況Ⅰ中的值，顯示在光滑表面的平均努塞爾值。 表3 在情況Ⅰ中平均努塞爾值的分布（光滑表面） 4.5 流場的觀察 對流場的觀察是為了測試在情況Ⅰ-Ⅳ中七個轉(zhuǎn)速和泰勒值的組合。黏性耦合器單元的內(nèi)部流場取決于外部固定而內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的兩個同軸圓柱。在這流場中，科氏力、邊界切向速度、離心力、黏性和邊界條件之間的相互作用影響冷卻油在流場中的流動。 圖12比較在四種情況中Ta=1796(rpm=21)在t=4s和t=20s時的流場。當(dāng)t=4時，在四種情況中氣泡朝受旋轉(zhuǎn)影響的旋轉(zhuǎn)方向移動。旋轉(zhuǎn)的切向速度和冷卻油黏性導(dǎo)致潤滑油朝旋轉(zhuǎn)方向流動。前面油的數(shù)量減少而后面油的數(shù)量增加，強(qiáng)迫空氣向旋轉(zhuǎn)方向移動。當(dāng)t=20時，在四種情況中旋轉(zhuǎn)缸體后面的潤滑油升到前面，外缸體內(nèi)壁的油的表面在情況Ⅰ中合并到兩個氣泡中，在情況Ⅱ-Ⅳ中合并到四個氣泡中。這個差別源于嵌入的環(huán)狀分布肋條。 圖12 在情況Ⅰ-Ⅳ中Ta=1796(rpm = 21)時流動的清楚呈現(xiàn) 圖13比較了在Ta=2.856x106(rpm = 260)且t=1.3和5s時情況Ⅰ和Ⅱ中流的結(jié)構(gòu)。在t=1時，氣泡在兩種情況下都集中在缸體的頂部位置。在t=3時，旋轉(zhuǎn)的切向速度和潤滑油的黏性導(dǎo)致潤滑油向旋轉(zhuǎn)方向移動。該圖清楚地表明，潤滑油表面向旋轉(zhuǎn)方向移動是因為在情況Ⅰ中旋轉(zhuǎn)速度大。最初位于缸體頂部的氣泡以分散的方式融入潤滑油中。同樣的，在情況Ⅱ中當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度高的時候，潤滑油向旋轉(zhuǎn)方向移動，在移動港開始時空氣分成若干塊前流入狹長區(qū)域，因為嵌入的環(huán)狀分布肋條導(dǎo)致油的流動結(jié)構(gòu)和在情況Ⅰ中不同。 圖13 比較當(dāng)Ta=2.856x106(rpm=260)時，情況Ⅰ和Ⅱ中油的流動結(jié)構(gòu) 5．結(jié)論 這項調(diào)查研究了黏性耦合器單元頂部和底部區(qū)域軸線方向上的溫度分布，闡明了黏性耦合器單元的熱傳遞和流動途徑。環(huán)狀分布肋條增加熱傳遞經(jīng)過的區(qū)域和他們對流場結(jié)構(gòu)的改變被各種實驗參數(shù)所表明。總結(jié)如下： · 雖然光滑表面的壓力和從環(huán)狀分布肋條表面得到的壓力沒有很大的不同，在低的雷諾值下，光滑表面在壓力下顯示出一個小的差別。冷卻液的流動阻力低。然而，當(dāng)Re＞5時，四種情況下的壓力修正系數(shù)很小。因此，當(dāng)強(qiáng)制對流的影響很強(qiáng)時，黏性耦合器單元流場中的流動阻力可以被忽視。 · 實驗結(jié)果表明，更大的雷諾值同更大的熱傳遞聯(lián)系在一起。在這個實驗中，雷諾值超過預(yù)定值時對熱傳遞的影響明顯小于雷諾值低于預(yù)定值時。優(yōu)化冷卻油的流動，而不是盲目增加冷卻油的流動，在熱傳遞工程中是至關(guān)重要的。實驗結(jié)果顯示當(dāng)Re＞0.597時，熱傳遞時非常緩慢上升的。 · 對旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的分析表明泰勒值強(qiáng)烈影響熱傳遞分布。當(dāng)Re＞0，因為泰勒渦流，努塞爾值隨X/D變化，引起黏性耦合器單元內(nèi)部熱傳遞不一致，有助于區(qū)域局部高溫?fù)p壞機(jī)器。 · 在壁表面嵌入的環(huán)狀分布肋條增加了流場的波動和熱傳遞經(jīng)過的區(qū)域，以改善傳熱效果。實驗結(jié)果表明，當(dāng)泰勒值小時努塞爾值在情況Ⅱ中最大，當(dāng)泰勒值大時努塞爾值在情況Ⅰ中最大。熱傳遞實驗產(chǎn)生了經(jīng)驗方程，方程（4）和（5）適用于在有各種預(yù)計循環(huán)參數(shù)的強(qiáng)制對流下的平均努塞爾值，粗糙和光滑表面。 · 這清楚呈現(xiàn)的潤滑油的流動顯示由于冷卻油的黏性，流場在Ta=1796(rpm=21)時在情況Ⅰ中產(chǎn)生穩(wěn)定的Couette流。潤滑油沿著外缸體頂部的內(nèi)壁流動。轉(zhuǎn)動是相對緩慢的并且引力的影響是弱的，因此潤滑油的流動表面被合并到兩個油路中，然后，最終融入一個油路中。在情況Ⅱ—Ⅳ中冷卻油的流動更加復(fù)雜：在環(huán)狀分布肋條的頂部，氣泡中的流動最明顯。潤滑油沿著外缸體頂部的內(nèi)壁流動，改變了流動結(jié)構(gòu)。最后，在情況Ⅱ—Ⅳ中潤滑油的流動被合并到由嵌入的環(huán)狀分布肋條形成的三個油路中， 致謝 作者想感謝中華人民共和國國家科學(xué)委員會根據(jù)No.NSC 92-2212-E-270-004合約對這次研究的財政支持 參考文獻(xiàn) Ali,M.A.(2000)“Couette流在內(nèi)部旋轉(zhuǎn)缸體的穩(wěn)定和恒定軸向速度的移動”，流體動力學(xué)研究，第27期,109-115頁。 Andereck，C.D.、Liu,S.S.和Swinney,H.L.(1986)“獨(dú)立旋轉(zhuǎn)缸體的圓形Couette系統(tǒng)中的流動體系”，J.Flud Mech.,第164期,155-183頁。 Astill,K.N.(1964)“具有內(nèi)部旋轉(zhuǎn)缸體的同軸缸體之間的流發(fā)展的研究”，ASME J.熱傳遞，383-392頁。 Baier,G.、Graham,M.D.和Lighfoot,E.N.(2000)“新型雙流體泰勒渦流中的質(zhì)量運(yùn)輸”,AICHE 期刊,第46期,第12,2395-2407頁。 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循環(huán)值（Ro=ωi ri/ Vc） ri 內(nèi)缸半徑（mm） rm 測試部分平均半徑（mm） ro 外缸半徑(mm) rpm 轉(zhuǎn)速(rev/min) T 溫度(oC) T0 起始溫度(oC) Ta 泰勒值(Ta=wi2rmD3/v2) Tf 最終溫度(oC) Tw 壁的溫度(oC) V 電壓 Vc 冷卻油流速(m/s) W 瓦特 希臘符號 ΔP 壓力差(ΔP=Pin-Pout,N/m2) v 動黏度(m2/s) ρ 流體密度(kg/m3) Ωi 內(nèi)缸旋轉(zhuǎn)速度(rpm) ωi 內(nèi)缸角速度(rad/s) 上標(biāo) 平均值 下標(biāo) i 內(nèi)部 f 最終 m 平均 o 外部 w 壁 c 橫流 附錄 不確定性分析包括測量參數(shù)和計算參數(shù)。在實驗期間，測量參數(shù)是指實驗設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，比如物理尺寸、壓力、流速、電壓和電流。計算參數(shù)是指不能被儀器直接測量但是通過實驗測量參數(shù)計算出來的無綱量參數(shù)，比如雷諾值、努賽爾值和泰勒值等。測量參數(shù)的誤差來源于儀器的錯誤和人的讀數(shù)，而計算參數(shù)來源于經(jīng)過選擇計算的測量參數(shù)；因此，計算參數(shù)由測量參數(shù)的組合排列生成。在這個實驗中，Coleman和Steele(1995)參照不確定性分析，數(shù)據(jù)衰減公式如下 這里R是被計算參數(shù)而Xn是測量參數(shù)。另外，計算參數(shù)的不確定性變化可以描述如下 其中δXk=±Xk。 表4顯示了實驗過程中測量參數(shù)和計算參數(shù)的不確定性 表4 實驗參數(shù)的范圍和不確定性分析 實驗參數(shù) 范圍 不確定性 共 20 頁 第 20 頁