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原型），那么试验分析中试验中模型表面的热流密度必须
进行相似处理。文献［ １４］给出了基于理论计算的一定温
差下，模型表面对流换热热流密度同重力加速度的关系，
如图 １０所示，图中每条线表示冷端与热端的温差，冷热
面间隙间距为 ５ｃｍ。可知，在这一固定间距下，模型表
面获得相同的等效热流密度（即对应原型换算后的热流密
度），在高 Ｎ值下 需要更 大的 温差；同一 温差下，高 Ｎ
值时表面获得的等效热流密度更低。这也解释了前述无
量纲化后热流密度的下降。因此，仅就等效热流密度而
言，当间距、冷热面温差一定后，通过调整重力加速度 图 １０ 一定温差下模型表面热流密度
值并不能显著影响模型对应原型的热交换状态。 同重力加速度的关系
此外，图 ９中的另一个现象是同一重力加速度条件下，间距越大，模拟过程中的平均 Ｎｕ数越高。
间隙间距对换热过程的影响体现在对夹层空气流态的改变。以 Ｎ＝ ５０为例，将计算终止前一时刻的流
场矢量导出，以观察流场形态，如图 １１所示。Ｌ ＝ １ｃｍ时，出现了若干无规则旋涡，无明显涡环，仅
在靠近壁面交角附近出现较小涡流。Ｌ ＝ １０ｃｍ时出现了 ２对涡环，靠近侧壁处涡环较细长，中部涡环
长宽比趋于 １，最大流速为 １．０２ｍ?ｓ；Ｌ ＝ ２０ｃｍ时出现了 １对涡环，矢量图中呈现涡环外部流速块，
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内部流速低的特点，具有典型的 Ｒ － Ｂ流动特征，最大流速为 ３．３ × １０ ｍ?ｓ。说明此时的换热强度是最
高的。结合表 ２可 知，当一 定重 力 加 速 度 条 件 下，适 当 扩 大 间 距 可 提 升 换 热 强 度 并 进 而 提 升 冻 结
强度。
至此，可对讨论结果做一个小结。对于采用半导体制冷设备的寒区工程离心模型试验，换热过程
由 “制冷效果” “换热强度” 以及 “冻结程度” 等三个定义表达。 “制冷效果” 用于表征模型表面温
度的降温速率，即单位时间内模型表面某一点温度下降的幅度； “换热强度” 特指模型内的对流换热
强度，由 Ｎｕ数表征；“冻结程度” 由空气冻结指数表征，用于反映模型表面视作原型后的冻结效果。
有关规律如下：

图 １１ 模型内介质流态示意图（计算终止前）

（１）模型重力加速度越大，间隙间距越小，模型表面制冷效果越好。
（２）模型重力加速度一定时，间隙间距越大，换热强度越高；间隙间距一定时，模型重力加速度
越大，换热强度越低。
（ ３）同一模型尺度下，为使模型表面获得原型时间尺度时更强的 “冻结程度”，在提升模型重力
加速度的前提下，应当适度扩大而不是缩小间隙间距。

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