臺灣博碩士論文加值系統

黏彈性流體屬於非牛頓流體，在扁平的矩形管道內流動時，由於正向力差效應而產生二次流，此效應增加流場混合，提高熱傳係數，但是黏彈性流體的黏度比水大，流動時增加流體與壁面的剪切力，亦即增加管內的壓力差降。本論文則是以實驗的方式探討純水以及濃度1000wppm的聚丙醯胺水溶液，在寬高比為2：1的水平矩形管道中，廣義雷諾數60∼540的層流範圍內，三種不同熱邊界條件：上板加熱、下板加熱以及上下板同時加熱情況下的壓力差降與熱傳係數。實驗結果顯示，聚丙醯胺水溶液與純水的摩擦因子與雷諾數的關係，皆符合 關係式。聚丙醯胺水溶液具有比純水高的熱傳係數，原因為上板加熱時，因為正向力差效應以及輕剪力效應與軸向速度扭曲，使熱傳係數提高；下板加熱時，除了正向力差效應以及輕剪力效應與軸向速度扭曲外，尚有自然對流效應的加成；上下板同時加熱時，因為速度梯度具有對稱性，因此軸向速度不向任何一加熱面扭曲，所以主要熱傳增強機制為正向力差效應與自然對流效應。

The viscoelastic fluid has non-newtonian fluid behavior in which secondary flows exist in a rectangular duct due to the normal stress difference. Because of the secondary flows, the flow field results in more mixing and the heat transfer coefficient is therefore enhanced. However, the viscoelastic fluid has the higher pressure drop than that of the pure water as a result of its higher viscosity. Experimental studies of the laminar pressure drop and heat transfer behavior of the pure water and 1000wppm separan solutions were carried out in a aspect ratio of 2:1 rectangular duct. The range of the value of generalized Reynolds number lies between 60~540.Three different thermal boundary conditions were studied, including the heated upper wall, heated lower wall and heated upper-and-lower walls. The experimental friction factors of the pure water and the separan solutions agreed with the value predicted from the correlation: .The measured Nusselt numbers of the separan solutions were considerably higher than the values of the pure water. It was due to the normal stress difference, shear-thinnig effect and axial velocity distortion for heated upper wall. For heated lower wall, the heat transfer coefficient enhancement was the same as the heated upper wall,as well as the influence of natural convection effect was also included. In the heated upper-and-lower walls case, the axial velocity distortion vanished because the symmetry of the velocity profile. The mechanisms of heat transfer enhancement were normal stress difference and natural convection effects.

目 錄
摘要 ……………………………………………………………………Ⅰ
目錄 ……………………………………………………………………Ⅱ
表目錄 …………………………………………………………………Ⅲ
圖目錄 …………………………………………………………………Ⅳ
符號說明…………………………………………………………………X


第一章 序論 …………………………………………………………1
1.1 研究背景與目的 ………………………………………………1
1.2 牛頓與非牛頓流體介 …………………………………………2
1.3 黏彈性流體簡介 ………………………………………………4
1.4 文獻回顧 ………………………………………………………6
1.4.1 流變特性 ………………………………………………6
1.4.2 實驗分析 ………………………………………………8
1.4.3 數值分析………………………………………………10
第二章 實驗設備與步驟 ……………………………………………25
2.1 工作流體介紹 …………………………………………………25
2.2 實驗設備 ………………………………………………………25
2.3 實驗量測儀器 …………………………………………………29
2.4 實驗儀器校正 …………………………………………………30
2.5 實驗原理………………………………………………………31
2.6 實驗測試範圍…………………………………………………36
2.7 實驗步驟………………………………………………………37
第三章 實驗結果與討論……………………………………………51
3.1 實驗條件………………………………………………………51
3.2 流變性質………………………………………………………52
3.3 壓力差降與摩擦因子…………………………………………53
3.4 熱傳結果分析…………………………………………………55
3.4.1 純水熱傳實驗結果……………………………………55
3.4.2 聚丙醯胺水溶液熱傳實驗結果………………………58
3.5 實驗結果與文獻討論比較……………………………………66
第四章 結論………………………………………………………100
參考文獻 ……………………………………………………………102
附錄A 實驗不準度分析 ……………………………………………107


表 目 錄
表1-1 公式（1.11）中的a、b值……………………………………16
表3-1 實驗不準度……………………………………………………69
表3-2 純水物理性質表………………………………………………70
表3-3 聚丙醯胺水溶液在不同溫度時的power law index(n)與
consistency index(K)值 …………………………………71


圖 目 錄
圖1-1 牛頓流體與非牛頓流體的差異圖……………………………16
圖1-2 （a）虎克彈簧；（b）阻尼延遲器……………………………17
圖1-3 各正向力間的關係圖…………………………………………17
圖1-4 黏彈性與非黏彈性流體在庫第流與扭轉流的情形…………18
圖1-5 牛頓流體與黏彈性流體的旋轉流場差異圖…………………18
圖1-6 聚丙醯胺水溶液在上板加熱的軸向速度場分布圖…………19
圖1-7 聚丙醯胺水溶液在上板加熱的速度場向量圖………………20
圖1-8 CPF與Separan在上板加熱的溫度場分布圖………………21
圖1-9 TDCF與Separan在下板加熱的速度場向量圖………………22
圖1-10 軸向位置的等溫線圖與二次流流場向量圖…………………23
圖2-1 聚丙醯胺結構式………………………………………………39
圖2-2 實驗設備示意圖………………………………………………39
圖2-3 整流段示意圖…………………………………………………40
圖2-4 模擬整流段入口端速度場與速度分佈圖……………………42
圖2-5 模擬整流段出口端速度場與速度分佈圖……………………44圖2-6 模擬測試段入口端速度場與速度分佈圖……………………46圖2-7 測試段截面示意圖……………………………………………48
圖2-8 混合段示意圖…………………………………………………49
圖2-9 流量計校正曲線………………………………………………50
圖3-1 不同溫度聚丙醯胺水溶液視黏度對剪切率的關係圖………72
圖3-2 層流狀態下工作流體之壓降與質量流率關係圖……………73
圖3-3 層流狀態下工作流體之廣義雷諾數與摩擦因子關係圖……74
圖3-4 純水在上板加熱之上壁面溫度與流體溫度軸向分佈圖……75
圖3-5 純水在下板加熱之下壁面溫度與流體溫度軸向分佈圖……76
圖3-6 純水在上下板同時加熱之上壁面、下壁面與流體溫度軸向
分佈圖 ………………………………………………………77
圖3-7 純水在上板加熱之局部紐賽數與1/Gz關係圖 ……………78
圖3-8 純水在下板加熱之局部紐賽數與1/Gz關係圖…………… 79
圖3-9 純水在上下板同時加熱之局部紐賽數與1/Gz關係圖…… 80
圖3-10 聚丙醯胺水溶液在上板加熱之上壁面溫度與流體溫度軸向
分佈圖…………………………………………………………81
圖3-11 聚丙醯胺水溶液在下板加熱之下壁面溫度與流體溫度軸向
分佈圖…………………………………………………………82
圖3-12 聚丙醯胺水溶液在上下板同時加熱之上壁面、下壁面與流體溫度軸向分佈圖………………………………………………83
圖3-13 聚丙醯胺水溶液在上板加熱之局部紐賽數與1/Gz關係圖（200W）…………………………………………………………84
圖3-14 聚丙醯胺水溶液在上板加熱之局部紐賽數與1/Gz關係圖（150W）…………………………………………………………85
圖3-15 聚丙醯胺水溶液在上板加熱之局部紐賽數與1/Gz關係圖（100W）…………………………………………………………86
圖3-16 相近質量流率之工作流體於不同上板加熱瓦數比較圖……87
圖3-17 聚丙醯胺水溶液在下板加熱之局部紐賽數與1/Gz關係圖（200W）…………………………………………………………88
圖3-18 聚丙醯胺水溶液在下板加熱之局部紐賽數與1/Gz關係圖（150W）…………………………………………………………89
圖3-19 聚丙醯胺水溶液在下板加熱之局部紐賽數與1/Gz關係圖（100W）…………………………………………………………90
圖3-20 相近質量流率之工作流體於不同下板加熱瓦數比較圖……91
圖3-21 聚丙醯胺水溶液在上下板同時加熱之局部紐賽數與1/Gz 關係圖（各100W）……………………………………………92
圖3-22 聚丙醯胺水溶液在上下板同時加熱之局部紐賽數與1/Gz 關係圖（各75W）………………………………………………93
圖3-23 聚丙醯胺水溶液在上下板同時加熱之局部紐賽數與1/Gz 關係圖（各50W）………………………………………………94
圖3-24 相近質量流率之工作流體於不同上下板加熱瓦數比較圖…95
圖3-25 本實驗與文獻【12】之廣義雷諾數與摩擦因子關係圖……96
圖3-26 本實驗與文獻【12】上板加熱之局部紐賽數與1/Gz 關係圖 ………………………………………………………97
圖3-27 本實驗與文獻【12】下板加熱之局部紐賽數與1/Gz 關係圖 ………………………………………………………98
圖3-28本實驗與文獻【12】上下板加熱之紐賽數與1/Gz 關係圖 ………………………………………………………99

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