楊延鋒，姜根山，李顥

(1. 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京，102206；2. 華北電力大學(xué)數(shù)理學(xué)院，北京，102206)

近年來(lái)，聲波技術(shù)在電站鍋爐中得到廣泛應(yīng)用，如聲波除灰[1-2]、聲波強(qiáng)化燃燒[3]等技術(shù)。這些技術(shù)均涉及聲波作用下燃煤顆粒的傳熱傳質(zhì)特性，其作為理論基礎(chǔ)對(duì)研究聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)有重要意義。但目前有關(guān)聲學(xué)技術(shù)的設(shè)備研發(fā)較多，基礎(chǔ)理論研究較少，人們對(duì)于聲場(chǎng)與熱質(zhì)傳輸過(guò)程的基本關(guān)系尚未形成明確的結(jié)論，因而聲學(xué)技術(shù)的應(yīng)用缺乏足夠的理論指導(dǎo)。

聲波誘導(dǎo)振蕩流周期性地往復(fù)沖刷物體，不僅有助于及時(shí)清除物體表面積灰，而且有助于強(qiáng)化對(duì)流換熱。振蕩流能顯著地增強(qiáng)流體介質(zhì)間的擾動(dòng)和互相摻混，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)的目的[4-7]。目前，對(duì)振蕩流動(dòng)強(qiáng)化熱、質(zhì)傳輸過(guò)程機(jī)理的分析主要集中于旋渦脫落理論和邊界層理論。有研究表明[8]，一定程度的振蕩流動(dòng)可以破壞固體邊界上形成的邊界層和加快旋渦脫落速率，從而降低對(duì)流傳熱和質(zhì)量傳輸?shù)淖枇?。振蕩流?qiáng)化傳熱傳質(zhì)的能力與振動(dòng)幅值、振動(dòng)頻率、流體介質(zhì)物性及物體結(jié)構(gòu)參數(shù)等有關(guān)。量綱—參數(shù)分析表明，振動(dòng)流動(dòng)強(qiáng)化熱、質(zhì)傳輸過(guò)程的能力始終與雷諾數(shù)Re呈正比。一些學(xué)者認(rèn)為振動(dòng)流強(qiáng)化傳熱的能力與斯特勞哈爾數(shù)St呈正比[9-10]，另一些學(xué)者卻得到了相反的結(jié)論[11-13]。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，這與他們的實(shí)驗(yàn)工況有關(guān)：在高頻區(qū)間，振動(dòng)流強(qiáng)化傳熱的能力與斯特勞哈爾數(shù)St呈正比，其傳熱機(jī)理可利用旋渦脫落理論和邊界層理論進(jìn)行解釋；在低頻區(qū)間，St越小，傳熱越強(qiáng)，但對(duì)該區(qū)域傳熱機(jī)理的分析還很少。這也表明低頻和高頻振動(dòng)流的傳熱機(jī)理是不同的。楊延鋒等[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了寬頻率(500～1 500 Hz)范圍內(nèi)聲波作用下直徑d=5 mm的熱銅球的對(duì)流換熱問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)在500～700 Hz頻段，對(duì)流換熱系數(shù)與頻率呈反比；在700～1 500 Hz 頻段，對(duì)流換熱系數(shù)與頻率呈正比。楊延鋒等[14]利用聲流理論對(duì)低頻段聲波的強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行了分析，但該研究缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文作者以不同直徑(d=10，15 和20 mm)加熱銅球?yàn)檠芯繉?duì)象，研究在中低頻(200～500 Hz)聲波作用下加熱銅球的對(duì)流傳熱問(wèn)題，以期為揭示低頻聲波的強(qiáng)化傳熱機(jī)理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 所示為聲波強(qiáng)化換熱的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由聲波發(fā)生系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)、聲信號(hào)采集系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)圓管4個(gè)部分組成。研究對(duì)象為直徑為10，15 和20 mm 的銅球，其導(dǎo)熱系數(shù)均為386 W/(m-1·K-1)。聲波發(fā)生系統(tǒng)工作原理如下：由計(jì)算機(jī)控制端經(jīng)聲譜儀軟件(MC3642)選擇特定頻率的正弦信號(hào)，經(jīng)功率放大器(FdB-Model TA1100)調(diào)節(jié)至特定聲壓級(jí)后由揚(yáng)聲器(8 Ω，500 W)發(fā)聲。測(cè)溫系統(tǒng)通過(guò)將K-Type熱電偶感溫探針一端插入開(kāi)有小孔(直徑約1.5 mm)的銅球內(nèi)部，另一端連接到溫度記錄儀(YA504R)上實(shí)時(shí)記錄銅球的溫度變化，并將溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至U 盤。銅球被放置在距離揚(yáng)聲器喇叭沿面垂直高度20 cm處。溫度記錄儀的靈敏度為(±0.1) °C，每隔1 s 記錄1 次溫度，共記錄60 s。銅球均加熱到(140±2)°C，等溫度降到(125±1)°C 時(shí)加入給定參數(shù)聲波，并記錄溫度—時(shí)間數(shù)據(jù)。銅球初始溫度為120°C，對(duì)60 s內(nèi)的溫降數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；待銅球溫度降到環(huán)境溫度時(shí)，進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)，依此重復(fù)實(shí)驗(yàn)，直至獲取各工況的溫度數(shù)據(jù)。聲信號(hào)采集系統(tǒng)通過(guò)與銅球處于同一平面的強(qiáng)聲聲級(jí)計(jì)(MPA 471S)實(shí)時(shí)記錄銅球附近的聲信號(hào)，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集器傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

亞克力圓管內(nèi)徑為115 mm，圓管有效高度為740 mm。此外，圓管頂端布置高度為275 mm的吸聲棉，極大地減少管內(nèi)強(qiáng)駐波引起的聲場(chǎng)不均勻性。同時(shí)，圓管上端開(kāi)有一直徑為40 mm的出口，使熱空氣流出。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度保持(18.5±0.5)°C。銅球的物性參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析

準(zhǔn)確測(cè)量不同頻率聲波作用下熱銅球的溫度是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性的重要依據(jù)。熱銅球溫度的誤差通常與多個(gè)因素相關(guān)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能引起溫度誤差的因素主要包括：1)數(shù)據(jù)處理誤差。數(shù)據(jù)處理時(shí)，均采用四舍五入的方法保留到小數(shù)點(diǎn)后2 位，這會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。2)銅球位置測(cè)量誤差。每次更換銅球時(shí)，首先通過(guò)直尺標(biāo)定，然后經(jīng)肉眼衡量后確定銅球的中心位置，難免會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了盡量減小上述誤差，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況均進(jìn)行2～3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。圖2所示為不同直徑銅球在自然散熱條件下的溫降曲線對(duì)比。

圖2 不同直徑銅球在自然散熱條件下的溫降曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of temperature drop curves of copper spheres with different diameters under natural heat dissipation

由圖2可知：在2次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，不同直徑銅球測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，且2次重復(fù)實(shí)驗(yàn)所得溫度的相對(duì)誤差小于0.4%，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相對(duì)可靠的。

2.2 管內(nèi)聲場(chǎng)分布特性

根據(jù)聲波導(dǎo)管理論，為使管內(nèi)形成純粹的平面聲波，實(shí)驗(yàn)選取的聲頻率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓管的截止頻率。圓管截止頻率fc的計(jì)算式[15]如下：

式中：c0為環(huán)境溫度下的聲速，為331 m/s；D為圓管內(nèi)徑；計(jì)算可得fc=1 687 Hz。據(jù)此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選取中低頻范圍(200～500 Hz)的聲頻率。

為分析不同頻率下圓管內(nèi)的聲場(chǎng)分布，設(shè)功率放大器的功率為80 W，不同聲頻率下沿圓管高度方向上的聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖3。

圖3 圓管高度方向上的聲壓級(jí)分布Fig.3 Sound pressure level distribution in direction of circular pipe height

由圖3可知：對(duì)于不同聲頻率，圓管內(nèi)都存在平面駐波聲場(chǎng)，這說(shuō)明吸聲棉并沒(méi)有完全消除駐波，而是減弱了駐波的不均勻性。這是因?yàn)楣軆?nèi)駐波效應(yīng)的不均勻性取決于波長(zhǎng)與吸聲棉厚度的比，即吸聲棉的吸聲效果隨著厚度增加而增強(qiáng)。由圖3還可知：對(duì)于聲頻率為200 Hz的聲波，其波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于吸聲棉厚度，因此管內(nèi)駐波聲場(chǎng)不均勻性較大，其聲壓級(jí)最大差值為8 dB。隨著聲頻率增大，聲波波長(zhǎng)與吸聲棉厚度的差值減小，即駐波聲場(chǎng)的不均勻性減弱。由此可見(jiàn)，在圓管有限空間內(nèi)進(jìn)行傳熱實(shí)驗(yàn)可以有效避免外界噪聲的干擾，保證了實(shí)驗(yàn)聲場(chǎng)的純凈性。

以揚(yáng)聲器活塞中心為原點(diǎn)，過(guò)中心的軸線為z軸，則揚(yáng)聲器沿z軸的輻射聲場(chǎng)[15]為

式中：p為聲壓；ρ為空氣密度；ua為空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值；z為揚(yáng)聲器聲源的傳播距離；ω為聲波的角頻率；t為聲波傳播時(shí)間；i 為虛數(shù)單位；k為波數(shù)，k=ω/c0；R2=a2+z2，a為揚(yáng)聲器活塞半徑，a=57.5 mm。

式(2)描述了揚(yáng)聲器向外輻射的遠(yuǎn)、近聲場(chǎng)特性。正弦因子sin[k(R-z)/2]決定了聲壓幅值隨離活塞中心的距離而變化的規(guī)律。當(dāng)z很小時(shí)，即在聲源附近，在k(R-z)/2=nπ(n=1，2，…)的位置上聲壓幅值為0 Pa，在k(R-z)/2=(n+1)π/2 (n=0，1，2，…)的位置上聲壓幅值為極大值。即使距離z變化幅度很小，其與k/2因子相乘后仍可能使正弦函數(shù)的輻角變化幅度較大。因此，在靠近聲源附近的聲場(chǎng)，其出現(xiàn)聲壓極大值和極小值的位置距離較近。隨著距離z增加，出現(xiàn)聲壓極大值和極小值的位置相隔越來(lái)越遠(yuǎn)，如圖4所示。

由圖4可知，為避免聲源附近不均勻聲場(chǎng)的干擾，銅球的位置應(yīng)該滿足如下條件：

式中：λ為聲波波長(zhǎng)；zg為劃分揚(yáng)聲器活塞聲源近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的變量。實(shí)驗(yàn)中選取的頻率范圍為200～500 Hz。對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)中銅球的位置應(yīng)滿足z＞5 mm。實(shí)驗(yàn)中選取的距離z=20 cm，滿足要求。

2.3 銅球所處位置聲信號(hào)特征

為正確測(cè)定銅球附近的動(dòng)態(tài)聲場(chǎng)信號(hào)，選擇合適的聲級(jí)計(jì)探頭是非常重要的。通過(guò)調(diào)節(jié)功率放大器使聲壓級(jí)逐漸增大到140 dB 左右時(shí)停留約20 s，再逐漸降低功率放大器的功率。圖5 所示為強(qiáng)聲探頭和一般探頭同時(shí)監(jiān)測(cè)到的聲壓級(jí)情況。

圖5 強(qiáng)聲聲級(jí)計(jì)和一般聲級(jí)計(jì)測(cè)得的聲壓級(jí)Fig.5 Sound pressure levels measured by strong sound level meter and normal sound level meter

由圖5可知：相比于一般聲級(jí)計(jì)，強(qiáng)聲聲級(jí)計(jì)可以監(jiān)測(cè)到更高的聲壓級(jí)。這是因?yàn)閺?qiáng)聲聲級(jí)計(jì)可以捕捉到流體介質(zhì)對(duì)強(qiáng)聲波的非線性響應(yīng)特性，如非線性引起的波形畸變等。因此，本文作者采用強(qiáng)聲聲級(jí)計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)于給定聲壓級(jí)Lp=135 dB，不同聲頻率下強(qiáng)聲聲級(jí)計(jì)監(jiān)測(cè)到的銅球附近空氣介質(zhì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖6。圖6 中，信號(hào)幅值反映了給定聲波對(duì)空氣介質(zhì)做功的能力。

圖6 不同聲頻率下銅球附近空氣介質(zhì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.6 Dynamic response curves of air medium near copper sphere at different sound frequencies

由圖6可知：對(duì)于不同聲頻率，強(qiáng)聲聲級(jí)計(jì)監(jiān)測(cè)到的動(dòng)態(tài)信號(hào)的幅值和周期均存在差異。聲頻率越低，信號(hào)幅值越大，且其波形會(huì)發(fā)生一定畸變(如聲頻率為200 Hz時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào))。這表明低頻強(qiáng)聲波會(huì)引起空氣介質(zhì)的強(qiáng)烈擾動(dòng)，非線性現(xiàn)象顯著。在實(shí)驗(yàn)中，低頻強(qiáng)聲波在圓管上端出口處可以明顯感受到強(qiáng)烈的脈動(dòng)氣流流動(dòng)。這是因?yàn)橐_(dá)到相同聲壓級(jí)，頻率較低的聲波經(jīng)功率放大器調(diào)節(jié)得到的功率要大于頻率高的聲波的功率。這說(shuō)明在相同時(shí)間內(nèi)頻率低的聲波對(duì)空氣做的功要大于頻率高的聲波對(duì)空氣做的功。實(shí)驗(yàn)中感受到的強(qiáng)脈動(dòng)氣流是低頻強(qiáng)聲波在管內(nèi)形成的非線性聲流，也稱為“聲風(fēng)”[16]。

為進(jìn)一步說(shuō)明流體介質(zhì)對(duì)強(qiáng)聲波的非線性響應(yīng)行為，分析聲頻率f=500 Hz 時(shí)不同聲壓級(jí)下強(qiáng)聲聲級(jí)計(jì)監(jiān)測(cè)到的聲信號(hào)波形，如圖7所示。

圖7 不同聲壓級(jí)下監(jiān)測(cè)到的動(dòng)態(tài)聲信號(hào)波形Fig.7 Dynamic acoustic signal waveform detected under different sound pressure levels

由圖7可知，聲壓級(jí)越大，強(qiáng)聲聲級(jí)計(jì)監(jiān)測(cè)到的動(dòng)態(tài)聲信號(hào)波形幅值越大。這表明高強(qiáng)聲容易引起流體介質(zhì)的強(qiáng)烈擾動(dòng)。此外，高強(qiáng)聲容易突發(fā)波形畸變等非線性現(xiàn)象，如Lp=140 dB對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)信號(hào)波形。但聲壓級(jí)Lp=140 dB時(shí)出現(xiàn)的波形畸變并不是十分明顯，這是因?yàn)槁暭?jí)計(jì)距離聲源位置較近。強(qiáng)聲波誘導(dǎo)的非線性效應(yīng)會(huì)隨著傳播距離而累積[17]。

2.4 低頻聲波作用下銅球的溫降特性

根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，聲波作用下銅球溫度變化滿足如下控制方程：

式中：ρcop和cp,cop分別為銅球的密度和定壓比熱容；T(τ)為銅球在τ時(shí)刻的溫度；τ為溫度變化所經(jīng)歷的時(shí)間；V為銅球體積；A為銅球表面積；Tf為環(huán)境溫度；T0為銅球的初始溫度；h為對(duì)流傳熱系數(shù)。

式(4)可轉(zhuǎn)換為

式中：M為中間變量。

式(5)為線性方程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同條件下銅球的時(shí)間-溫度數(shù)據(jù)，將其代入式(5)中，繪制M-τ曲線，并對(duì)其進(jìn)行線性擬合，可直接得到對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)h。

對(duì)于給定聲壓級(jí)Lp=133 dB，不同直徑銅球在低頻聲波作用下的溫降曲線及其M-τ曲線數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可知：在低頻區(qū)(＜250 Hz)，頻率越低，銅球溫降越快，其對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)越大。由文獻(xiàn)[16]可知，低頻高強(qiáng)度聲波可形成顯著氣流現(xiàn)象，氣流強(qiáng)度隨著頻率的降低而增強(qiáng)[18]。圖7所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果也佐證了這一點(diǎn)。對(duì)比圖8(a)～8(c)可知：在相同時(shí)間內(nèi)，銅球直徑越大，散熱越慢，由吸熱公式Q=cp,copmΔT(其中，m為銅球的質(zhì)量，ΔT為溫差)可知，加熱到相同溫度時(shí)，大銅球需要的熱量就越多。因此，在相同參數(shù)的聲波作用下，大銅球溫度下降到相同溫度則需要更長(zhǎng)時(shí)間。

圖8 不同直徑銅球溫降曲線及M-τ曲線擬合結(jié)果Fig.8 Temperature drop curves of copper spheres with different diameters and fitting results of M-τ curve

2.5 不同直徑銅球?qū)α鲹Q熱系數(shù)對(duì)比分析

對(duì)于給定聲壓級(jí)Lp=133 dB，不同直徑銅球在聲頻率范圍為200～500 Hz 的聲波作用下對(duì)流換熱系數(shù)h的變化見(jiàn)圖9。

由圖9 可知：在中低頻(200～500 Hz)范圍內(nèi)，不同直徑銅球的對(duì)流換熱系數(shù)h隨聲頻率增加都呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)。此外，由圖9 可知，存在一特定頻率fp，使銅球的對(duì)流換熱系數(shù)h達(dá)到最小，直徑分別為10，15 和20 mm 的銅球，其對(duì)流換熱系數(shù)最小值對(duì)應(yīng)的特定頻率分別為350，300 和250 Hz，可見(jiàn)這一特定頻率fp隨著銅球直徑增大而減小。當(dāng)聲波頻率小于特定頻率fp時(shí)，聲頻率越小，銅球的對(duì)流換熱系數(shù)h越大。例如，當(dāng)聲頻率為200 Hz時(shí)，直徑分別為10，15 和20 mm 的銅球?qū)?yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)分別為44.46，26.85 和22.27 W/(m2·K)。當(dāng)聲波頻率大于特定頻率fp時(shí)，銅球的對(duì)流換熱系數(shù)h隨著聲頻率增大而增大。

圖9 銅球?qū)α鲹Q熱系數(shù)隨聲頻率的變化Fig.9 Variation of convective heat transfer coefficient of copper sphere with sound frequency

與銅球的自然對(duì)流換熱系數(shù)相比，在本文研究的聲頻率范圍內(nèi)，直徑為10 mm 的銅球的對(duì)流換熱過(guò)程均都得到不同程度的強(qiáng)化。然而，對(duì)于直徑分別為15 mm和20 mm的銅球，在特定頻率fp處出現(xiàn)了傳熱惡化的現(xiàn)象，其對(duì)流換熱系數(shù)要小于銅球的自然對(duì)流換熱系數(shù)。這表明特定頻率fp的聲波對(duì)直徑為15 mm 和20 mm 銅球的對(duì)流換熱過(guò)程起到了阻礙作用。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，當(dāng)聲波與物體發(fā)生非線性相互作用時(shí)，將在物體周圍形成2種不同特性的流場(chǎng)，即自由振蕩流和穩(wěn)定聲流。這2 種流場(chǎng)的流場(chǎng)特性隨著聲源頻率的變化而變化，從而影響了銅球的對(duì)流換熱過(guò)程。聲頻率影響自由振蕩流在物體壁面上的渦脫落行為以及穩(wěn)定聲流的強(qiáng)度。已有研究[19]表明，聲波誘導(dǎo)振蕩流掠過(guò)物體時(shí)，壁面發(fā)生邊界層分離，形成旋渦脫落，旋渦脫落速率隨著聲源頻率增大而增大。同時(shí)，旋渦脫落速度還與物體結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。穩(wěn)定聲流的流動(dòng)強(qiáng)度可通過(guò)流雷諾數(shù)Res描述，Res=U02/(2πfυ)，其中U0為聲波引起的流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)速度振幅，υ為流體的運(yùn)動(dòng)黏度。由此可見(jiàn)，聲流的流動(dòng)強(qiáng)度與聲強(qiáng)呈正比，而與聲頻率呈反比，與物體的結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)關(guān)。

綜上可知，直徑分別為15 mm 和20 mm 的銅球在特定頻率fp處出現(xiàn)傳熱惡化。這是因?yàn)樵谔囟l率fp處，聲波誘導(dǎo)自由振蕩流在銅球壁面上沒(méi)有發(fā)生旋渦脫落行為，在聲波作用周期內(nèi)，始終存在附著在銅球壁面上的渦結(jié)構(gòu)，形成了較厚的熱黏性邊界層，這極大地增加了傳熱熱阻，阻礙了銅球與周圍環(huán)境之間的換熱過(guò)程。與此同時(shí)，該特定頻率fp處的聲流作用也很小。當(dāng)聲頻率小于特定頻率fp時(shí)，隨著頻率進(jìn)一步降低，自由振蕩流對(duì)傳熱的影響已基本不變，而聲流的作用越來(lái)越強(qiáng)。在低頻強(qiáng)聲作用下，銅球周圍可以形成強(qiáng)烈的伴隨旋渦特性的聲流，這類旋渦聲流可以破壞銅球壁面上的熱黏性邊界層。因此，在低頻區(qū)，聲流的作用又再次強(qiáng)化了銅球的對(duì)流換熱過(guò)程。在聲波頻率大于fp的區(qū)域，聲流的作用變得很弱，這時(shí)自由振蕩流在銅球壁面上形成的旋渦隨著聲頻率增大而逐漸分離，加速了銅球的對(duì)流換熱過(guò)程。

圖10所示為相對(duì)努塞爾數(shù)Nur(Nur=h/h0)隨量綱一參數(shù)ka的變化規(guī)律。圖10中，ka=πd/λ。

由圖10可知，相對(duì)努塞爾數(shù)Nur隨著ka增加都呈先減小后增大的趨勢(shì)。聲波強(qiáng)化傳熱的能力隨著銅球直徑增大而減小，傳熱效果越差(即Nur越小)，對(duì)應(yīng)的ka越大。對(duì)d=10 mm 的銅球，當(dāng)ka=0.019 時(shí)，聲波強(qiáng)化對(duì)流傳熱的效果相比自然對(duì)流時(shí)提升約77%。對(duì)于d=15 mm(ka=0.028)和d=20 mm(ka=0.038)的銅球，銅球的傳熱效果分別提升60%和50%?？梢灶A(yù)見(jiàn)，ka越小，聲波強(qiáng)化對(duì)流傳熱的效果越好。

圖10 相對(duì)努塞爾數(shù)Nur隨ka的變化規(guī)律Fig.10 Variation of relative Nusselt number Nur with ka

3 結(jié)論

1）在低頻強(qiáng)聲波作用下，實(shí)驗(yàn)圓管內(nèi)形成了聲流(聲風(fēng))的強(qiáng)氣流現(xiàn)象。

2）對(duì)于給定聲壓級(jí)，加熱銅球的對(duì)流換熱系數(shù)h隨著聲頻率f逐漸增加而呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)f=200 Hz 時(shí)，相對(duì)于自然對(duì)流換熱，銅球的傳熱效果分別提升了77%(d=10 mm)，60%(d=15 mm)和50%(d=20 mm)。

3）在中低頻聲波作用下，存在某一特定聲頻率fp使加熱銅球的對(duì)流換熱系數(shù)h出現(xiàn)最小值，且在聲頻率fp的聲波作用下，直徑為15 mm和20 mm的熱銅球出現(xiàn)了傳熱惡化的現(xiàn)象。這表明聲波既能強(qiáng)化對(duì)流換熱過(guò)程，也能阻礙熱傳遞。出現(xiàn)傳熱惡化的特定頻率fp與銅球直徑呈反比。