实验八-空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验

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。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）式中：Q—空气横掠单管时总的换热量，W；A—空气横掠单管时单管的表面积，m2;—空气横掠单管时单管壁温℃；—空气横掠单管时来流空气温度℃；—壁面温度与来流空气温度平均温差，℃；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。Re—雷诺数，Re，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，—外管径（m），—流体在实验测试段中的流速（m/s），—流体的运动粘度（㎡/s）。3）.物体的物理性质：Pr—普朗特数，Pr==cpμ/k其中为热扩散率,v为运动粘度,μ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）1）.Re=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/ν。其中U为速度特征尺度，L为长度特征尺度，ν为运动学黏性系数。2).Pr=定义：流体运动学黏性系数γ与导温系数κ比值的无量纲数3).Nu=（努谢尔数）4).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，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焓(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。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，通过倾斜式微压计测出实验段中空气来流的动压H，然后计算空气流速u。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U。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0.2～0.3mm，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´，冷端所处为空气温度tf，由电位差计测出温差热电势E（）。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: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=(㎡)调节参考值最大1101009080706050403020实测值pmm气流动压H（=0.2×P）m电压V（×5倍率）mVU（＝V×0.201）V电流A（×5倍率）mVI（＝A×2）A温差Mv（×5倍率）mV(＝Mv×23.2)℃来流空气温度℃＝(tf1+tf2+tf3)/3试件壁温（计算）tw℃表8-2实验工况整理记录变量名称单位变量计算最大1101009080706050403020()Kg/m3u()m/s定性温度tm℃(tm)w/mK(tm)m2/sQwhw/m2KNuReX=lgRey=lg待定常数,,实验关联式：平均偏差1--风箱；2--风机；3--有机玻璃风道；1--风箱；2--风机；3--有机玻璃风