扇形水噴嘴之三維熱傳性能測試與分析

Abstract

本文主要探討高溫不銹鋼板AISI304在受到兩種不同型號之扇形噴嘴衝擊的快速冷卻的情形並進行分析，透過實驗的方式量測溫度等物理量並結合ANSYS中的Fluent模組結合Fortran運算的簡易共軛梯度法程式來進行最佳化理論的計算及分析進而求解出其熱傳係數h值的分佈情形。為了達到鋼材所需的機械性質和高品質的目標，以快速冷卻控制鋼材的相變態藉以提高鋼鐵的機械性質及品質，來增加材料的附加價值以提升在全球市場上的競爭力。 本研究分析扇形噴嘴在不同流量下時以噴嘴噴流衝擊噴束快速冷卻一高溫不銹鋼板，透過鋼板內部熱電偶量測到的溫度變化進而求得出其鋼板表面熱傳係數分佈趨勢及冷卻效果，並藉由流場觀察來分析其扇形噴嘴的流動特性及干涉效應。在研究中透過改變噴嘴流量從2 5(L/min)到8 5(L/min)的範圍內以五組不同流量下量測到的溫度變化來進一步計算出其熱傳效果及冷卻速率，並觀察在不同流量下時的流場變化情形。熱傳係數的計算部分吾人主要透過三維逆向熱傳導的方法來求解，其演算法主要使用了共軛梯度法作為逆向計算方法並透過最佳化方式來計算出其鋼板表面之熱傳係數分佈。共軛梯度法主要是透過疊代的方式來對熱傳導方程式進行逆向計算並在過程中向收斂的方向進行搜尋，在達到設定的目標函數下停止疊代計算的過程以求得出最佳之熱傳係數分佈的趨勢及值級。 實驗系統加熱試件部分主要以一與電熱管一體成形的不銹鋼板作為加熱試件，在實驗噴嘴水供給系統部分主要透過一水循環的管路線並由一泵浦來做為整體水循環的推動裝置。本研究首先針對單噴嘴及雙噴嘴的流場觀察進行分析，在單噴嘴的流場觀察中隨著流量的提升衝擊橢圓區域以及噴嘴寬幅會隨之上升。在雙噴嘴的流場觀測中兩噴嘴在特定的間距下交互作用時會產生干涉的現象，此間距在加熱不銹鋼板冷卻時會在此處形成薄膜沸騰的現象，此現象不僅會影響流場流動情形同時亦會大幅降低熱傳效果。從共軛梯度法逆向計算的結果得到在扇形噴嘴衝擊冷卻高溫不鏽鋼板的表面熱傳係數上，第一種型號噴嘴有相對較好的熱傳效果。當流量Q=2 5、5、7 4(L/min)增加的過程中其整體平均熱傳係數依序從2807 70、4572 23增加至5352 76(W/m2-K)，同時對應之平均冷卻速率分別為4 29、5 42、5 71(°C/s)。同時當兩種型號噴嘴分別達到恰好衝擊加熱不銹鋼板流量範圍時，其平均熱傳係數大約為5000(W/m2-K)的大小對應之平均冷卻速率為5 5 (°C/s)。

Date of Award	2018 Aug 8
Original language	Chinese
Supervisor	Jiin-Yuh Jang (Supervisor)