试验8空气横掠单管强迫对流换热系数测定试验

1、实验8空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验一、实验目的1 .测算空气横掠单管时的平均换热系数h。2 .测算空气横掠单管时的实验准则方程式Nu C Ren Pr13。3 .学习对流换热实验的测量方法。二、实验原理1对流换热的定义对流换热是指在温差存在时，流动的流体与固体壁面之间的热量传递过程。2、牛顿冷却公式根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h。即：h=- w/m2 K(8-1)A(tw tf) A t式中：Q 一空气横掠单管时总的换热量，W;A 一空气横掠单管时单管的表面积，m2 ;tw 空气横掠单管时单管壁温C；tf 空气横掠单管时来流空气温度C；t一 壁面温度与来流空气温度平均温差，C

2、 ；3、影响h的因素1) .对流的方式： 对流的方式有两种；(1)自然对流(2)强迫对流2) .流动的情况:流动方式有两种；一种为雷诺数Re<2200的层流，另一种为 Re>10000的紊流。udRe 雷诺数， Re ， v雷诺数Re的物理定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数。上述公式中，d外管径(m), u 流体在实验测试段中的流速( m/s), v流 体的运动度(/Is)。3) .物体的物理性质：Pr 普朗特数，Pr=一= cpIk其中 为热扩散率，v为运动粘度，科为动力粘度；cp为等压比热容；k为热导率； 普朗特数的定义是：运动粘度与导温系数之比4) .换面的形状和

3、位置5) .流体集体的改变相变换热：凝结与沸腾4、对流换热方程的一般表达方式强制对流：由外力(如：泵、风机、水压头)作用所产生的流动强迫对流公式为Nu f(Re,Pr)自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动。自然对流公式为 Nu=f (Gr, Pr)ul1) .Re=v雷诺数Re的定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数Re=UL/v 。其中U为速度特征尺度，L为长度特征尺度，Y为运动学黏性系数。2) .Pr=定义：流体运动学黏性系数丫与导温系数K比值的无量纲数3) .Nu=怛(努谢尔数)gad3 t4) .Gr= 式中a为流体膨胀系数，v为流体可运动系数。格拉晓夫数

4、，自然对流浮力和粘性力之比，控制长度和自然对流边界层厚度之比。5、对流换热的机理热边界层热边界层的定义是：黏性流体流动在壁面附近形成的以热始(或温度)剧变为特征的流体薄层热边界层内存在较大的温度梯度，主流区温度梯度为零。当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时，即tw t / t t 0.99,此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面之间的距离则是热 边界层的厚度，记为Bt(x)6.空气横掠单管换热时，实验关联式的确定根据传热学理论，换热系数与流速、管径、温度、流体物性等有关，并可用下列准则方程式关联：Nu f(Re,Pr)(8-2 )空气横掠单管换热时，实验关联式为：n

5、 _13Nu C Re Pr 1(8-3)在定常性温度下(tm),普朗特数Pr可视为常数，故(3)简化为：Nu C Ren(8-4)式中Nu 一 努谢尔数，NuRe 雷诺数，RePr 普朗特数，1 31 3C C Pr C PrC , n -由实验确定的常数,hdudv(8-5)tm 一定性温度由下式确定:tw tftm-2C(8-6 )上述公式中，d 外管径（m）,一流体的导热系数（w/m- C） , u 流体在实验测试段中的流速（m/s）, v 流体的运动粘度（itf7.实验关联式计算设y=lgNu , x=lgRe ,在双对数坐标系下，公式（/s )。8-4）可写为:根据最小二乘法原理,

6、igCigc常数igC及n可按下式计算:(8-7)i 1Nxii 1xii 1N 2小xii 1(8-8 )NNxi2i 1yi i 1 N 2xi1NNxi yii 1NN x2i 1(8-9)式中：N为实际工况测试点数8.实验参数计算（1）空气流速u根据(N=11N= 10)。u=32g 介H 10m/s(8-10)式中：H空g 重力加速度，一微压计动压头m/s（实测），（酒精柱高）介一酒精密度介=0.89*10kg/m 3),空一空气密度（查表），3kg/m（2）单管加热量QQ=UI单位：W(8-11)（y n x lg C ）的平均偏差。(8-12)式中 U 实验管端电压（实测）I 一

7、实验管工作电流（实测）9.实验结果误差计算用均方根误差可以反映实验点（x,y）与关联式代表线N(yX)2N 1其中，N为测试点数（N=11或N= 10）。三、实验设备实验系统装置结构如图 8所示。实验主体由风箱、风机、有机玻璃风道组成。试验 管为薄壁不锈钢加热圆管，安装在有机玻璃风道实验段中间。采用低电压大电流的直流电对试验管直接加热。 低压大电流直流电由硅整流电源供给。调整硅整流电源可改变圆管加热功率。为使雷诺数 Re有较大的变化范围，一方面在每个实验台上安装不同直径 的单管；另一方面，通过调节风机入口处的调风口来改变空气的流速。四、测试方法及实验步骤在试验管处风道中装有毕脱管，通过倾斜式微

8、压计测出实验段中空气来流的动压H,然后计算空气流速 uo为了准确测定试验管上的加热功率并排除管子两端的影响，在距离管端一定距离处焊有二电压测点a、b,经过分压箱和转换开关，用电位差计准确测定该二电压测点处 的电压降Uo试验管的加热回路中串联了一标准电阻，电流流过标准电阻时的电压降 U经转换开关和电位差计测量，然后确定流过试验管的工作电流I。为了确定实验管壁的温度 tw,在试验管内壁埋设热电偶（热端），由于管壁很薄，仅 0.20.3mm,故可足够准确地认为外壁温度tw等于内壁温度tw '。为使测量系统简化，冷端热电偶置于空气流中。既热端所处温度为管内壁温度tw',冷端所处为空气温

9、度tf, '由电便差计测出温差热电势E （ tw ,tf ）。空气温度tf用挂在墙壁上的水银温度计测量。实验时对每一种直径的管子，空气流速可调整10个工况，加热电流可根据管子直径及风速大小适当调整，保持管壁与空气间有一定的温差。每调整一个工况，须待工况稳定后才能测量有关数据。六、实验报告1 .完成实验原始数据记录（表 8-1）。2 .完成实验工况数据处理（表 8-2）。3 .将测出的实验点（X1,Y1）（X11,Y11）绘在坐标图上，试说明实验点的分布规律。4 .将实验关联式的代表线：y n x lg C绘在坐标图上，试算出实验点与代表线的平均偏差。注：建议用计算机Excel完成上述实

10、验曲线。七.实验注意事项：1靠近窗户的试验台，做实验时，一定要把窗帘拉上，光线直射影响实验数据。2转换开关不能放在电源板近处，如靠门实验台的转换开关远离电源板及风机箱时，电位差计的测量读数稳定，指针不摆动。3测量tf空气温度时，用水银温度计放在tf接近处测量。八、思考题1 .实验管径与准则方程式有什么关连？对于空气横掠单管强迫对流换热过程，你能在教材或其他资料上找出 Re的大至范围吗？2 .影响对流换热的主要因素是什么？3 .试分析空气横掠管束时的强迫对流换热系数？表8-1实验原始数据记录时间:实验人：同组人：实验台号：单位外径d=(m)长度 L= 0.1(m)面积A=( m2)调节参考值最大1101009080706050403020实测值pmm气流动压H (= 0.2 XP)m电压V （x 5倍率）mVU (= VX 0.201 )V电流A （X 5倍率）mVI (=AX2)A温差Mv （X 5倍率）mVt (= MvX23.2)C来流空气温度t fCtf = (tf1 +tf2+tf3)/3试件壁温（计算）twc表8-2实验工况整理记录变量名称单位变量 计算最大1101009080706050403020空（tf ）Kg/m 3u (f)m/s定性温度tmc(t m)w/m K(tm)m2/sPr(tm)Pr(tm)Qwhw/m2KNuReX=lgR