Abstract
由於工程上的應用，有關管流固化的分析便相當重要。本研究的目的即在進行混合對流於層流管內固化的影響，研究的方法包括理論分析和實驗量測。由於水在工程應用上為常用的工作流體，但其密度於接近冰點時有密度逆轉的特性（其最大密度時的溫度約 4℃左右）。因此當其固化時便有不同於其它流體的固化現象，實有待深入研究。本研究對於此種密度逆轉的現象作了相當的分析，而且發展了一種流場觀測技術能清楚地看到流體在固化時的流場變化及其液固相界面。 本研究在理論分析方面作了如下的假設：流體為大普朗特數，液固相面沿軸向方向的變化緩慢以及固化界面內的流道形狀仍保持圓狀。如此的假設使得本問題被簡化成沿軸方向速度為完全擴展的3D拋物線型方程式。本研究的無因次參數有：當點雷厲數（local Rayleigh number ），過熱比（Superheat ratio λ）及進口溫度To。為能觀測到流體固化時的液固相界面及流場特性，本研究設計的測試段中在內銅管間嵌有一透光的壓克力環以導引光線進入測試段。為能使流場及液固界面能被清晰的顯現及照相，本實驗以稀釋的紅藥水注入測試段內，而能相當清楚地觀測到流場變化的特性。 根據理論分析及實驗結果顯示，當流體為一般流體（即熱膨脹係數β為定值）固化時，自然對流的影響造成了熱傳係數的增加，固化速度的加快而使得流道變小，以及流道向管中心上方移動。此種效應隨著雷厲數及過熱比的增大而更加顯著。對於水的冷卻而言（非結冰情況時），由於其密度逆轉的效應使得其流場型態從一對旋轉渦流變成二對反向旋轉渦流，此種結果造成了熱傳係數大大的降低。從實驗中熱傳係數的量測及流場觀測的照片均證實了理論分析的結果。而當水固化時，由於其熱傳係數的降低使得其固化速率亦降低，而流道也會因為流場的逆轉使得其往管中心下方移動。