Heat Transfer Enhancement and Optimization Analysis of High Performance Variable Louver Angle and Electrohydrodynamic Technology

摘要

本研究分為兩部分，首先以被動式熱傳增強方式對可變百葉窗鰭片式熱交換器進行研究；另一部分則以主動式電液動(EHD，electrohydrodynamic)技術在自然對流的情況下對平板表面熱增強之研究，此部分也分為線狀及針狀電極兩個方向，分述如下： 鰭片式熱交換器通常以空氣為工作流體，且利用鰭片兩側表面進行散熱，但因散熱表面平坦，熱邊界層容易增厚，熱阻增加，造成散熱效果較差。因此，為了有效改善熱傳效益，改變鰭片表面形狀，迫使空氣衝擊鰭片表面以減少熱邊界層厚度，提升熱傳效果。而常用於增強熱傳的鰭片形狀包括波浪型、百葉窗型及切口鰭片等形狀，其中百葉窗型鰭片是最常利用於增強表面熱傳的形狀，因為它兼有衝擊表面及切斷熱邊界層厚度的作用。而本研究保留上述優點，針對目前尚未研究之百葉窗鰭片連續變化角度進行最佳化探討。在此研究中，為了驗證數值模擬程序的可靠性，藉由放大比例實驗測試和數值模擬進行比較。其結果顯示，放大比例百葉窗鰭片之紅外熱像儀和數值模擬的溫度圖像在整個百葉窗鰭片有著相似的溫度分佈。且比對數值模擬和實驗的熱傳因子(Colburn factor)與摩擦因子(friction factor)之數據，其結果顯示模擬與實驗符合，差異在11％以內。本研究以百葉窗鰭片連續變角度（△θ）及初始百葉窗角度（θi）為參數，最大的面積縮減率設定為目標函數，即J=J(△θ，θi)，利用共軛梯度法（Conjugate- Gradient Method CGM）進行最佳化搜尋。搜尋範圍在△θ = +0° ~ +4° 和θi = 18° ~ 30°，且分別在不同入口速度條件下，搜索最佳位置的可變百葉窗角度（△θ）和初始百葉窗角度（θi）及最大面積縮減率的組合。其結果顯示，在ReH = 133~1199（Uin = 1 0~9 0 m / s）的範圍內，（△θ，θi）的最大面積減小率為48 5~55 2％。 針狀電極電液動（EHD）對熱傳增強的影響之研究，在自然對流的情形下，假設三維的流動，紊流和穩態之數值模擬分析。本研究建構針狀電極實驗設備量測電壓與電流的關係式(V-I curve)，並同時驗證實驗與數值模擬的準確性。利用實驗獲得的V-I曲線，以數值疊代求解電極表面電荷密度，此結果發現電荷密度與電極節距變化影響較小，僅在15%以內，但在針狀電極高度變化上有很明顯的差異，最大可高達7 8倍，因此忽略電極節距變化，且電荷密度值以ρc0=ρc0(H)關係式表示，並配合共軛梯度法進行最佳化搜尋。定義每單位?率損耗的淨傳熱增強量作為評估熱傳增強的基準，並設定為最佳化目標函數，而電極間距（SL）和高度（H）是搜尋最佳化的兩個參數。其搜尋範圍分別為50 mm ＜SL ＜200 mm和15 mm ＜H ＜55 mm，且在特定的電壓V0（14、16、18和20 kV）及溫差ΔT（33、53和73K）的情形下進行。結果顯示，在指定的施加電壓V0及溫差ΔT下，可獲得最大的單位?率損耗淨傳熱增強量及最佳的電極位置。 水平封閉空間內安裝線狀電極施加高電壓產生離子風衝擊熱傳表面增加散熱效益之研究。此研究以固定長寬比（Ar = 12）的條件下，於水平封閉空間內對線狀電極高度（HEHD = 10-25 mm）、電極節距（N = 2-7）、施加電壓（V0 = 15-17 kV）及溫度差（ΔT = 5-30 K，Ra=23743-136807）四項參數進行探討及研究。因為EHD是屬於主動式熱傳增強方式，故必須考慮熱傳增強量所造成的?率損耗，於是定義符合實際需求的單位?耗淨熱傳增強量（QEHD- Q0）/Power作為評估熱傳增強的標準。其研究結果顯示，熱傳增強率（NuEHD/Nu0）隨著線狀電極高度的降低而增加，當線狀電極高度HEHD=25mm時，熱傳增強率接近1(NuEHD/Nu0 ? 1)，這表示熱傳效果沒有明顯增加，僅增加?率損耗。另在單位?率損耗的淨傳熱增強量（QEHD- Q0）/Power方面，其結果呈現，在指定的ΔT和V0的條件下(ΔT = 5-30 K及V0 = 15-17 kV)，可獲得最佳電極位置(HEHD及N)之組合。 延伸上述的研究，本文亦對兩無限長平板進行施加EHD線狀電極之增強熱傳最佳化研究。最佳化方法是利用共軛梯度法進行最佳化搜尋，而單位?耗的淨傳熱增強量（QEHD- Q0）/Power定義為最佳化的目標函數，藉由電極間距（SL）和高度（HEHD）兩參數的變化，搜尋目標函數最大化。其搜尋範圍分別為60 mm ＜SL ＜120 mm和10mm ＜ HEHD ＜25mm，在特定的施加電壓V0（15-17 kV）及上下板溫差ΔT（10-30 K）的情形下進行研究。其結果顯示，在特定的溫差ΔT及施加電壓V0情況下，可獲得最佳的單位?耗的淨熱傳增強量及電極位置(SL和HEHD)。

獎項日期	2019
原文	English
監督員	Jiin-Yuh Jang (Supervisor)