西交传热学上机实验
传热学上机实验报告(fortran语言)
等温边界条件：内壁0℃，外壁30℃
说明：1.计算内部节点时，t(i,j)=0.25*(t(i-1,j)+t(i+1,j)+t(i,j-1)+t(i,j+1))，计算边
界节点时此式稍作变动。
2.计算导热量时，先从外表面计算，再从内表面计算，最终结果为二者的平均值。
程序：
program cuanre
implicit none
real t(12,16),ta(12,16)
real dt,dtm,Q1,Q2,Q !Q1为从外表面所算得的热量，Q2为从内表面所算得的热量，
！Q为二者的平均
real::alamd=0.53 !导热系数
integer i,j
real ::epsilon=1.e-6 !允许的偏差
t=20.0 !迭代初值
ta=0.0
t(1,:)=30.0 !边界条件，外表面30℃
t(:,1)=30.0
do i=6,16
t(6,i)=0.0
end do
do i=6,12
t(i,6)=0.0
end do
10 do i=2,5 !内部节点温度计算
do j=2,15
t(i,j)=0.25*(t(i-1,j)+t(i+1,j)+t(i,j-1)+t(i,j+1))
end do
end do
do i=6,11 !内部节点温度计算
do j=2,5
t(i,j)=0.25*(t(i-1,j)+t(i+1,j)+t(i,j-1)+t(i,j+1))
end do
end do
do i=2,5 !绝热边界节点温度计算
t(12,i)=0.25*(t(12,i-1)+t(12,i+1)+2*t(11,i))
end do
do i=2,5 !绝热边界节点温度计算t(i,16)=0.25*(t(i-1,16)+t(i+1,16)+2*t(i,15))
end do
dtm=0.0
do i=2,12
do j=2,16
dt=abs(t(i,j)-ta(i,j))
if(dtm ta(i,j)=t(i,j) end do end do if(dtm do i=1,6 write(*,'(16(f6.1))',advance='yes')t(i,:) print* end do do i=7,12 write(*,'(16(f6.1))',advance='yes')t(i,1:6) print* end do else goto 10 end if Q1=0 ！从外表面计算导热量 do i=2,15 Q1=Q1+(t(1,i)-t(2,i))*alamd end do do i=2,11 Q1=Q1+alamd*(t(i,1)-t(i,2)) end do Q1=Q1+0.5*(t(1,16)-t(2,16))+0.5*(t(12,1)-t(12,2)) Q2=0 ！从内表面计算的导热量 do i=6,15 Q2=Q2+(t(5,i)-t(6,i))*alamd end do do i=6,11 Q2=Q2+alamd*(t(i,5)-t(i,6)) end do Q2=Q2+0.5*(t(5,16)-t(6,16))+0.5*(t(12,5)-t(12,6)) Q=(Q1+Q2)/2.0 write(*,'(a,f8.3,a)',advance='yes')'每米高1/4墙的导热量为：',Q,'W' end program 程序运行结果（温度分布和导热量）： 《传热学C》课程教学大纲 课程编号：80210127 课程名称：传热学C 英文名称：Heat Transfer C 总学时：24 学分：1.5 适用对象：机械工程及其自动化专业，测控技术及仪器专业 先修课程：高等数学，流体力学 一、课程性质、目的和任务 传热学C是机械工程及其自动化专业和测控技术及仪器专业的一门专业选修课程。其目的在于使学生掌握有关热量传递的基本理论知识，具备一定的传热学分析计算能力。它不仅为以后专业课的学习提供必要的理论基础，也是培养提高学生综合分析能力和解决工程实际问题能力的重要环节之一。 二、教学内容、方法及基本要求 教学内容 1．绪论 了解传热学与工程热力学在研究内容和方法上的异同。认清传热学的研究对象及其在工程和科学技术中的应用。掌握热量传递的基本方式：导热、对流和热辐射的概念和所传递热量的计算公式。了解复合换热过程的计算方法，了解辐射换热表面传热系数的概念。认识到工程实际问题的热量传递过程往往不是单一的方式而是多种形式的组合，以加深传热过程的概念及传热方程的理解。初步理解热阻在分析传热问题中的重要地位。 2．导热基本定律及稳态导热 掌握傅里叶定律的意义和应用方法，了解常见材料导热系数的大致范围。理解推导导热微分方程的理论依据和思路，以及导热微分方程中各项的物理意义，能够正确书写导热问题的初始条件和三类边界条件。能应用傅里叶定律或导热微分方程对常物性、无内热源的一维稳态导热问题（平壁、圆筒壁）进行分析求解，得出温度场及导热量的计算公式。了解肋片在工程中的应用场合。加深理解热阻概念及其在分析导热问题时的重要性。 3．非稳态导热 了解非稳态导热过程的特点。掌握集总参数法的分析求解方法，了解其限制条件。 4．对流换热 牛顿冷却公式是对流换热计算的基础，要求重点掌握。理解影响对流换热的因素。掌握流动边界层和温度边界层的概念。理解相似原理在指导对流换热实验中的作用，准则方程的导出。掌握实验数据的整理方法。掌握管内换热入口段与充分发展段的概念。掌握定型尺寸和定性温度的概念。能正确和熟练地运用准则方程（实验关联式）计算简单的对流换热问题。了解有限空间自然对流换热的概念。掌握强化单相流体对流换热的途径。 5．凝结与沸腾换热 沈阳航空航天大学 预测燃气涡轮燃烧室出口温度场 沈阳航空航天大学 2013年6月28日 计算传热学 图1模型结构和尺寸图 1.传热过程简述 计算任务是用计算流体力学/计算传热学软件Fluent求解通有烟气的法兰弯管包括管内烟气流体和管壁固体在内的温度分布，其中管壁分别采用薄壁和实体壁两种方法处理。在进行分析时要同时考虑导热、对流、辐射三种传热方式。 (1) 直角弯管内外壁面间的热传导。注意：如果壁面按薄壁处理时，则不用考虑此项，因为此时管壁厚度忽略不计，内壁和外壁温度相差几乎为零。 (2) 管道外壁面与外界环境发生的自然对流换热。由于流体浮生力与粘性力对自然对流的影响，横管与竖管对流换热系数略有不同的。计算公式也不一样。同时，管道内壁面同烟气发生的强制对流换热。 (3) 管道外壁和大空间（环境）发生辐射换热 通过烟气温度和流量，我们可以推断出管道内烟气为湍流流动。这在随后的模 沈阳航空航天大学 拟计算中可以得到证实。 2.计算方案分析 2.1 控制方程及简化 2.1.1质量守恒方程： 任何流动问题都要满足质量守恒方程，即连续方程。其积分形式为： 0vol A dxdydz dA t ρρ?+=?????? 式中，vol 表示控制体；A 表示控制面。第一项表示控制体内部质量的增量，第二项表示通 过控制面的净通量。 直角坐标系中的微分形式如下： ()()()0u v w t x y z ρρρρ????+++=???? 上式表示单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间段内流入该微元体的净增量。 对于定常不可压缩流动，密度ρ为常数，该方程可简化为 0u v w x y z ???++=??? 2.1.2动量守恒方程： 动量守恒方程也是任何流动系数都必须满足的基本定律。数学式表示为： F m dv dt δδ= 流体的粘性本构方程得到直角坐标系下的动量守恒方程，即N-S 方程： ()()()u u p div Uu div gradu S t x ρρμ??+=+-?? ()()()v v p div Uv div gradv S t y ρρμ??+=+-?? ()()()w w p div Uw div gradw S t z ρρμ??+=+-?? 该方程是依据微元体中的流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。式中u S 、v S 、w S 是动量方程中的广义源项。和前面方程一样上式 [实验一]用球体法测定粒状材料的导热系数 一、实验目的 1、巩固和深化稳态导热的基本理论，学习测定粒状材料的热导率的方法。 2、确定热导率和温度之间的函数关系。 二、实验原理 热导率是表征材料导热能力的物理量，其单位为W/(m ·K)，对于不同的材料，热导率是不同的。对于同一种材料，热导率还取决于它的化学纯度，物理状态（温度、压力、成分、容积、重量和吸湿性等）和结构情况。各种材料的热导率都是专门实验测定出来的，然后汇成图表，工程计算时，可以直接从图表中查取。 球体法就是应用沿球半径方向一维稳态导热的基本原理测定粒状和纤维状材料导热系数的实验方法。 设有一空心球体，若内外表面的温度各为t 1和t 2并维持不变，根据傅立叶导热定律： dr dt r dr dt A λπλφ24-=-= （1） 边界条件 2 211t t r r t t r r ====时时 （2） 1、若λ= 常数，则由（1）（2）式求得 1 22121122121) (2)(4d d t t d d r r t t r r --=--=πλπλφ[W] ) (2) (212112t t d d d d --= πφλ [W/(m ·K)] (3) 2、若λ≠ 常数，（1）式变为 dr dt t r ) (42λπφ-= （4） 由（4）式，得 将上式右侧分子分母同乘以（t 2－t 1），得 )()(412122 2 1 2 1 t t t t dt t r dr t t r r ---=?? λπφ (5) 式中 1 22 1 )(t t dt t t t -?λ项显然就是λ在t 1和t 2范围内的积分平均值，用m λ表示即 一维稳态导热的数值计算 1.1物理问题 一个等截面直肋，处于温度t ∞=80 的流体中。肋表面与流体之间的对流换热系数为 h =45W/(m 2?℃),肋基处温度t w =300℃，肋端绝热。肋片由铝合金制成，其导热系数为λ=110W/(m ?℃)，肋片厚度为δ=0.01m ，高度为H=0.1m 。试计算肋内的温度分布及肋的总换热量。 1.2数学描述及其解析解 引入无量纲过余温度θ = t?t ∞t w ?t ∞ ，则无量纲温度描述的肋片导热微分方程及其边界条件： 22 20d m dx θθ-= x=0,θ=θw =1 x=H, 0x θ?=? 其中m = 上述数学模型的解析解为：[()] ()() w ch m x H t t t t ch mH ∞∞--=-? ()()w hp t t th mH m ∞?= - 1.3数值离散 1.3.1区域离散 计算区域总节点数取N 。 1.3.2微分方程的离散 对任一借点i 有：22 2 0i d m dx θ θ??-= ??? 用θ在节点i 的二阶差分代替θ在节点i 的二阶导数，得：211 2 20i i i i m x θθθθ+--+-= 整理成迭代形式：()1122 1 2i i i m x θθθ+-=++ (i=2,3……,N-1) 1.3.3边界条件离散 补充方程为：11w θθ== 右边界为第二类边界条件，边界节点N 的向后差分得：1 0N N x θθ--= ，将此式整理为 迭代形式，得：N 1N θθ-= 1.3.4最终离散格式 11w θθ== ()1122 1 2i i i m x θθθ+-= ++ (i=2,3……,N-1) N 1N θθ-= 1.3.5代数方程组的求解及其程序 假定一个温度场的初始发布，给出各节点的温度初值：01θ，02θ，….，0 N θ。将这些初值代 入离散格式方程组进行迭代计算，直至收敛。假设第K 步迭代完成，则K+1次迭代计算式为： K 11w θθ+= () 11 11 2212i i K K K i m x θθθ+-++= ++ (i=2,3……,N-1) 1 11N K K N θθ-++= #include 高等传热学作业修订版 IBMT standardization office【IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-ZZT18】 第一章 1-4、试写出各向异性介质在球坐标系)(?θ、、r 中的非稳态导热方程，已知坐标为导热系数主轴。 解：球坐标微元控制体如图所示： 热流密度矢量和傅里叶定律通用表达式为： → →→??+??+??-=?-=k T r k j T r k i r T k T k q r ? θθ?θsin 11' ' （1-1） 根据能量守恒：st out g in E E E E ? ???=-+ ?θθρ?θθ??θθ?θd drd r t T c d drd r q d q d q dr r q p r sin sin 2 2??=+??-??-??-? （1-2） 导热速率可根据傅里叶定律计算： ?θθ θθd r dr T r k q sin ???- = （1-3） 将上述式子代入（1-4-3）可得到 ) 51(sin sin )sin ()sin (sin )(222-??=+??????+??????+?????????θθρ?θθ? θ? θ??θθθθ?θθ?θd drd r t T c d drd r q d rd dr T r k rd d dr T r k d d dr r T r k r p r 对于各 向异性材料，化简整理后可得到： t T c q T r k T r k r T r r r k p r ??=+??+????+?????ρ?θθθθθ?θ2222222sin )(sin sin )( （1-6） 传热学上机实验 班级: 学号： 姓名： 一：实验问题 一个长方形截面的冷空气通道的尺寸如附图所示。假设在垂直于纸面的方向上冷空气及通道墙壁的温度变化很小，可以忽略。试用数值方法计算下列两种情况下通道壁面中的温度分布及每米长度上通过壁面的冷量损失： (1)内、外壁面分别维持在10℃及30℃； (2)内、外壁面与流体发生对流传热，且有λ=0.53W/（m·K），t f1=10°C、h1=20W/（m2·K）, t f2=30°C、h2=4W/（m2·K）。 二：问题分析与求解 本题采用数值解法，将长方形截面离散成31×23个点，用有限个离散点的值的集合来代替整个截面上温度的分布，通过求解按傅里叶导热定律、牛顿冷却公式及热平衡法建立的代数方程，来获得整个长方形截面的温度分布，进而求出其通过壁面的冷量损失。 1. 建立控制方程及定解条件 对于第一问，其给出了边界上的温度，属于第一类边界条件。 ????? ??? ??=?==??+??C C y t x t 301002222外壁温内壁温 对于第二问，其给出了边界上的边界上物体与周围流体间的表面传热系数h 及周围流体的温度 t f ，属于第三类边界条件。 ()?????? ?-=??? ????-=??+??f w w t t h n t y t x t λ02222 2. 确定节点（区域离散化） 用一系列与坐标轴平行的网格线把长方形截面划分为31×23个节点。则步长为0.1m ，记为△x=△y=0.1m 。 3. 建立节点物理量的代数方程 对于第一问有如下离散方程： ()()()()()()()()()()? ??? ???? ? ????? ???+++==?==?==?==?==?==?==?==?=+-+-代表内部点,，点41 26~6,1018,26~6,106,18~6,10,2618~6,10,631~1,3023,31~1,301,23~1,30,3123~1,30,11,1,,1,1,n m t t t t t n C m t n C m t n C n t n C n t n C m t n C m t n C n t n C n t n m n m n m n m n m 对于第二问有如下离散方程： 对于外部角点（1,1）、（1,23）、（31,1）、（31,，23）有： ()()02 222,1,,22,,1,22 =??-+-?+??-+-?±±x y t t t t x h y x t t t t y h n m n m n m f n m n m n m f λλ 得到： ()()()()????? ??? ?? ? ++ =++=++=++=22,3123,3023,312,311,301,3122 ,123,223,12,11,21,11865331400186533140018653314001865331400t t t t t t t t t t t t 同理可得： 对于内部角点（6,6）（6,18）（26,6）（26,18） ，有 ()() ()()()()()()????? ??? ??? ++++ =++++ =++++=++++=7,2618,2518,2719,2618,267,266,256,275,266,2618 ,717,619,618,518,67,66,75,66,56,671853359533592000718533595335920007185335953359200071853359533592000t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t 二维导热物体温度场的数值模拟 一、物理问题 有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气通道，其截面尺寸如下图1-1所示，假设在垂直于纸面方向上用冷空气及砖墙的温度变化很小，可以近似地予以忽略。在下列两种情况下试计算： 砖墙横截面上的温度分布；垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。 第一种情况：内外壁分别均匀维持在0℃及30℃； 第二种情况：内外壁均为第三类边界条件，且已知： K m K m W h C t K m W h C t ?=?=?=?=?=∞∞/35.0/93.3,10/35.10,302 22211λ砖墙导热系数 二、数学描写 由对称的界面必是绝热面，可取左上方的四分之一墙角为研究对象，该问题为二维、稳态、无内热源的导热问题。 控制方程： 02 222=??+??y t x t 边界条件： 第一种情况： 由对称性知边界1绝热： 0=w q ； 边界2为等温边界，满足第一类边界条件： C t w ?=0； 边界3为等温边界，满足第一类边界条件： C t w ?=30。 第一种情况： 由对称性知边界1绝热： 0=w q ； 边界2为对流边界，满足第三类边界条件： )()( 2f w w w t t h n t q -=??-=λ； 边界3为对流边界，满足第三类边界条件： )()(2f w w w t t h n t q -=??-=λ。 1 -1图2 -1图 三、方程离散 用一系列与坐标轴平行的间隔0.1m 的二维网格线将温度区域划分为若干子区域，如图1-3所示。 采用热平衡法，利用傅里叶导热定律和能量守恒定律，按照以导入元体（m,n ）方向的热流量为正，列写每个节点代表的元体的代数方程， 第一种情况： 边界点： 边界1（绝热边界）： 5~2)2(4 1 1,11,12,1,m =++= +-m t t t t m m m ， 11~8)2(4 1 1,161,16,15,16=++=+-n t t t t n n n n ， 边界2（等温内边界）： 7,16~7;7~1,6,0,=====n m n m t n m 边界3（等温外边界）： 12,16~2;12~1,1,30,=====n m n m t n m 内节点： 11 ~8,15~6;11~2,5~2)(41 1,1,,1,1,====+++= -+-+n m n m t t t t t n m n m n m n m n m 第二种情况 边界点： 边界1（绝热边界）： 5~2)2(4 1 1,11,12,1 ,m =++=+-m t t t t m m m ， 11~8)2(4 1 1,161,16,15,16=++=+-n t t t t n n n n ， 边界2（内对流边界）： 6~1) 2(2221 11,61,6,5,6=++++= ??-+n Bi t Bi t t t t n n n n ， 3 -1图 传热学题目 传热学 1．热流密度 q 与热流量的关系为（以下式子 A 为传热面积，λ为导热系数，h 为对流传热系数）：( ) (A)q＝φA (B)q＝φ/A (C)q=λφ (D)q＝hφ 2．如果在水冷壁的管子里结了一层水垢，其他条件不变，管壁温度与无水垢时相比将：( ) (A)不变 (B)提高 (C)降低 (D)随机改变 3. 当采用加肋片的方法增强传热时，最有效的办法是将肋片加在哪一侧? ( ) (A)传热系数较大的一侧（B）传热系数较小的一侧 (C)流体温度较高的一侧（D）流体温度较低的一侧 4. 导温系数的物理意义是什么? ( ) （A）表明材料导热能力的强弱 （B）反映了材料的储热能力 （C）反映材料传播温度变化的能力 （D）表明导热系数大的材料一定是导温系数大的材料 5. 温度梯度表示温度场内的某一点等温面上什么方向的温度变化率? ( ) (A)切线方向 (B)法线方向 (C)任意方向 (D)温度降低方向 6. 接触热阻的存在使相接触的两个导热壁面之间产生什么影响? ( ) (A)出现温差 (B)出现临界热流 (C)促进传热 (D)没有影响 7. 金属含有较多的杂质，则其导热系数将如何变化? ( ) （A）变大（B）变小 （C）不变（D）可能变大，也可能变小 8. 物体之间发生热传导的动力是什么? ( ) (A)温度场 (B)温差 (C)等温面 (D)微观粒子运动 9. 通过大平壁导热时，大平壁内的温度分布规律是下述哪一种？( ) (A)直线 (B)双曲线 (C)抛物线 (D)对数曲线 10. 已知某一导热平壁的两侧壁面温差是 30℃，材料的导热系数是 22W/(m. K)，通过的热流密度是 300W/m2，则该平壁的壁厚是多少? ( ) (A) 220m (B)22m (C)2.2m (D)0.22m 11. 第二类边界条件是什么? ( ) （A）已知物体边界上的温度分布。 （B）已知物体表面与周围介质之间的传热情况。 （C）已知物体边界上的热流密度。 （D）已知物体边界上流体的温度与流速。 自然对流换热实验报告 一、实验目的 （1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。 （2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。 （3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出 Pr Gr 的范围。 二、实验原理 对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。即 r h c Φ-Φ=Φ （W ） 式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；??? ???????? ??-??? ??=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以 ? ?????????? ??-??? ??---=4 f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UI h ε[]）（K /W ?m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，） （420K m /W 67.5?=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2?m 。 当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。 根据相似理论，自然对流换热的准则为 Pr),(Gr f Nr = 在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即 n Gr c Nr Pr)(= 式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。为 《传热学》上机大作业 二维导热物体温度场的数值模拟 学校：西安交通大学 姓名：张晓璐 学号:10031133 班级：能动A06 一．问题（4-23） 有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气通道，形状和截面尺寸如下图所示，假设在垂直纸面方向冷空气和砖墙的温度变化很小，差别可以近似的予以忽略。在下列两种情况下计算：砖墙横截面上的温度分布；垂直于纸面方向上的每米长度上通过墙砖上的导热量。 第一种情况：内外壁分别维持在10C ?和30C ? 第二种情况：内外壁与流体发生对流传热，且有C t f ?=101， )/(2021k m W h ?=，C t f ?=302，)/(422k m W h ?=，K m W ?=/53.0λ 二．问题分析 1.控制方程 02222=??+??y t x t 2.边界条件 所研究物体关于横轴和纵轴对称，所以只研究四分之一即可，如下图： 对上图所示各边界： 边界1：由对称性可知：此边界绝热，0=w q 。 边界2：情况一：第一类边界条件 C t w ?=10 情况二：第三类边界条件 )()( 11f w w w t t h n t q -=??-=λ 边界3：情况一：第一类边界条件 C t w ?=30 情况二：第三类边界条件 )()( 22f w w w t t h n t q -=??-=λ 三：区域离散化及公式推导 如下图所示，用一系列和坐标抽平行的相互间隔cm 10的网格线将所示区域离散化，每个交点可以看做节点，该节点的温度近似看做节点所在区域的平均温度。利用热平衡法列出各个节点温度的代数方程。 第一种情况： 内部角点： 传热实验 一、实验目的 1、了解换热器的结结构及用途。 2、学习换热器的操作方法。 3、了解传热系数的测定方法。 4、测定所给换热器的传热系数K。 5、学习应用传热学的概念和原理去分析和强化传热过程，并实验之。 二、实验原理 根据传热方程Q=KA△tm，只要测得传热速率Q，冷热流体进出口温度和传热面积A，即可算出传热系数K。在该实验中，利用加热空气和自来水通过列管式换热器来测定K,只要测出空气的进出口温度、自来水进出口温度以及水和空气的流量即可。 在工作过程中，如不考虑热量损失，则加热空气释放出的热量Q1与自来水得到的热量Q2应相等，但实际上因热损失的存在，此两热量不等，实验中以Q2为准。 三、实验流程和设备 实验装置由列管换热器、风机、空气电加热器、管路、转子流量计、温度计等组成。空气走管程，水走壳程。列管式换热器的传热面积由管径、管数和管长进行计算。 实验流程图： 四、实验步骤及操作要领 1、熟悉设备流程，掌握各阀门、转子流量计和温度计的作用。 2、实验开始时，先开水路，再开气路，最后再开加热器。 3、控制所需的气体和水的流量。 4、待系统稳定后，记录水的流量、进出口温度，记录空气的流量和进出口温度，记录设备的有关参数。重复一次。 5、保持空气的流量不变，改变自来水的流量，重复第四步。 6、保持第4步水的流量，改变空气的流量，重复第四步。 7、实验结束后，关闭加热器、风机和自来水阀门。 五、实验数据记录和整理 1、设备参数和有关常数 换热流型错流；换热面积 0.4㎡ 2、实验数据记录 六、实验结果及讨论 1、求出换热器在不同操作条件下的传热系数。 计算数据如上表，以第一次记录数据序号1为例计算说明： 度 水的算数平均温度：水流量：空气流量：水气4.2029 .219.182/0222.03600 1000 1080/0044.03600 16 213=+=+==??=== -t t T s kg W s m V s J t t C W Q K kg J C p p /867.278)9.189.21(41830222.0)() /(418312=-??=-??=?=传热速率比热容：查表得，此温度下水的 K =-----=-----= ?2479.369.182.299 .21110ln 9.182.29)9.21110(ln )()(） （对数平均温度水进 气出水出气进水进气出水出气进逆T T T T T T T T t m 9333 .269 .189.212.291100329.09 .181109 .189.2112211112=--=--==--=--= t t T T R t T t t P K =?=??ψ=?∴=ψ??2479.362479.360.10 .1逆查图得校正系数m t m t t t ) /(1717.192 1101 .192333.19) /(2333.192479 .364.0867 .27822K m W K K K m W t S Q K m ?=+= ?=?=??= 的平均值：传热系数 自然对流强化换热 班级：14040203 姓名：吴端 学号：2011040402121 1.概述 当前，对于自然对流换热问题的研究没有强迫对流研究那样开展得广泛。一方面是由于自然对流强化效果没有强迫对流换热强化效果好；另一方面是由于自然对流强化的途径少难度大，所以自然对流的研究进展缓慢。但自然对流应用有自己的领域，强迫对流又有其制约因素，尤其是随着电子集成电路的发展，自然对流强化换热的问题越来越受到学者的关注。 利用振动强化单相流体对流换热的方法可分为两种：一种是使换热面振动以强化换热；另一种是使流体脉动或振动以强化换热。研究表明，不管是换热面振动还是流体振动，对单相流体的自然对流和强制对流换热都是有强化作用的。振动可以增大流体间的扰动，干扰附面层的形成和发展，从而减小换热热阻，达到强化换热的目的。 2.原理 利用振动可以强化传热早已为人们所认识，在1923年就有关于在静止流体中振动换热面以增强传热效果的相关研究。早期研究的主要手段为传热实验，随着数值计算方法及计算机技术的发展，自80年代人们开始对振动对流换热问题进行数值分析。研究结果表明，换热面在流体中振动时，根据振动系统的不同，自然对流换热系数可提高30%~2000%。。传热实验中，采用的振动源形式主要有以下几种： 1)机械振动或电动机驱动偏心装置产生，早期的实验均采用该方法； 2)流体绕流诱导传热元件产生，如在换热器中的管束： 3)超声波激励换热元件产生。下面分别就这三个方面分别展开综述，其中，A表示振幅，厂表示振动频率，D表示管直径，U表示来流速度，尺P表示雷诺数，h表示表面传热系数。 机械振动为传热实验中最为常用的振动源，一般情况下，机械振动装置结构简单，并且能够比较方便调节振幅、频率等参数，这对于深入研究振动参数对传热的影响具有不可替代的作用。 表1．2、1．3分别为自然对流、强制对流条件下振动传热研究概况，表中 一、实验目的 1、了解对流换热的实验研究方法； 2、测定空气横向流过管束表面时的平均放热系数α，并将实验数据整理成准数方程式； 3、学习测量风速、温度、热量的基本技能。 二、主要实验设备 本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、皮托管、电位差计、功率表以及调压变压器等组成。 三、实验原理 根据相似理论，流体强制流过物体时的放热系数α与流体流速、物体几何参数、物体间的相对几何位置以及物性等的关系可用下列准数方程式描述： Pr)(Re,f Nu = 实验研究表明，空气横向流过管束表面时，由于空气普郎特数（Pr=0.7）为常数，故一般可将上式整理成下列的指数形式， n C Nu Re = 式中 C,n 均为常数，由实验确定， Nu ——努塞尔特准数 λ ad Nu = Re ——雷诺准数 v d ω= Re 上述各准则中，α——壁面平均对流换热系数[?2/m W ℃] d ——实验管外径，作为定性尺寸，[m] λ——空气导热系数，[?2/m W ℃] ω——空气流过实验管外最窄截面处流速，[m/s] ν——空气运动粘度，]/[2s m 定性温度：空气边界层平均温度)(2 1 f w m t t t +=。 式中：m t ——实验管壁面平均温度[℃] f t ——空气平均温度本实验的任务在于确定C 与 n 的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关的数据：电流I 、电压 V 、管壁温度w t 、空气温度f t 、微压计动压头h 。至于α和ω在实验中无法直接测得，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查得。得到一组数据后，可得一组 Re 、Nu 值；改变空气流速，又得到一组数据，再得一组 Nu 、Re 值；改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。 四、实验数据及处理结果 1.测试所得原始数据 表1测试数据表 2.数据分析与计算 ◆表2热电偶测管温度平均值 ◆已知管长L=450mm,管直径d=40mm ，求得管表面积为205655 .0m L d A =??=π ◆空气进出口的平均绝对温度[K]:K T T T f 15.273)(2 1 21++= ,（见表3）由差值法及查表可知，热电偶 《传热学》实验指导书 实验名称：强迫流动单管管外放热系数的测定 实验类型: 验证性实验 学 时：2 适用对象: 热动、集控、建环、新能源等专业 一、实验目的 1.该项实验涉及较多课程知识，测量参数多，如风速、功率、温度，可考查学生的综合能力。 2.测量空气横向流过单管表面的平均表面传热系数h ，并将实验数据整理成准则方程式。 3.学习测量风速、温度、热量的基本技能，了解对流放热的实验研究方法。 二、实验原理 根据相似理论，流体受迫外掠物体时的表面传热系数h 与流速、物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可用下列准则方程式描述： ),(r e u P R f N = 实验研究表明，流体横掠单管表面时，一般可将上式整理成下列具体的指数形式： m n r m n e um P CR N ?= 式中：m n c ,,均为常数，由实验确定 努谢尔特准则---um N m um hd N λ= ---em R 雷诺准则 m em d R νμ= ---rm P 普朗特准则 m n rm P αν= 上述各准则中--d 实验管外径，作定性尺寸(米) --μ流体流过实验管外最窄面处流速，（)/s m --λ流体导热系数（)/K m W ? --α流体导温系数)/(2s m --ν流体运动粘度)/(2s m --h 表面传热系数)/(2K m W ? 准则角码m 表示用流体边界层平均温度)(2 1 f w m t t t -= 作定性温度。 鉴于实验中流体为空气，rm P =0.7，故准则式可化成： n em um CR N = 本实验的任务在于确定n c 与的数值。首先使空气流速一定，然后测定有关的数据：电流I 、电压V 、管壁温度w t 、空气温度f t 、测试段动压P 。至于表面传热系数h 和流速μ在实验中无法直接测量，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查到。得到一组数据后，即可得一组e R 、u N 值，改变空气流速，又得到一组数据，再得一组e R 、u N 值，改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。 三、实验设备 本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、动压计、毕托管、电位差计、电流表、电压表以及调压变压器组成。 由于实验段前有两段整流，可使进入实验段前的气流稳定。毕托管置于测速段，测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。风量由风机出口挡板调节。 传热学计算机实习指导书 本指导书是为配合本科生传热学课中计算机应用方面的教学而编写的。 应用计算机解决工程实际问题，是现代工程技术人员所必备的技能。在传热学课程中引入计算机实习的目的，是使学生初步掌握用计算机求解传热问题的技能，从而提高学生应用计算机解决工程实际问题的能力。 大量的传热问题能够用计算机求解。研究如何用计算机求解传热问题的专门知识数值传热学（或称计算传热学）已经发展成了传热学的一个分支学科。传热学课中所涉及的只是数值传热学的初步知识。因此，本次计算机实习也仅仅是作为数值传热学的入门。 本指导书给出了三个练习题及相应的算法。这三个练习题分别涉及了一维稳态导热、二维稳态导热和一维非稳态导热。要求学生在掌握问题的数值计算方法的基础上，独立编写计算机程序并用所编的程序计算出这三个练习题的数值结果。 1 练习题一：一维稳态导热的数值计算 1．1 物理问题 图1示出了一个等截面直肋，处于温度t ∞=80℃的流体中。肋表面与流休之间的对流换热系 数为h=45W/m 2. ℃，肋基处温度t w =300℃，肋端绝热。肋片由铝合金制成，其导热系数为λ=110W/m ℃，肋片厚度为δ=0.01m ，高度为H=0.1m 。试计算肋内的温度分布及肋的总换热量。 1． 2数学描述及其解析解 引入无量纲过余温度∞ ∞ --=t t t t w θ，则以无量纲温度θ描述的肋片导热微分方程及其边界条 件为: 0,1,002 2 2=??====-x H x x m dx d θθθθ (1-2) (1-1) (1-3) 其中A hp m λ= (其中符号含义与教科书杨世铭陶文铨编著《传热学》相同，以下同)。 上述数学模型的解析解为: ()()[]() ()()m H th t t m hp m H ch H x m ch t t t t w w ∞∞∞-= -? -=-φ (1-4) 按式(1-4)计算得到的在肋内各点的温度由表1给出。 1． 3 数值离散 1．3．1 区域离散 在对方程(1-1)~(1-3)进行数值离散之前,应首先进行计算区域的离散。计算区域的离散如图1所示，总节点数取N 。 1．3．2 微分方程的离散 由于方程(1-1)在计算区域内部处处成立，因而对图1所示的各离散点亦成立。对任一节点i 有： 0222=-???? ??i i m dx d θθ 用θ在节点i 的二阶差分代替θ在节点i 的二阶导数,得: 0222 1 1=-?+--+i i i i m x θθθθ 整理上式成迭代形式: ()112 221 -++?+= i i i x m θθθ (i=2,3,…,N-1) (1-5) 1．3．3 边界条件离散 上面得到的离散方程式(1-5)，对所有内部节点都成立，因此每个内部节点都可得出一个类似的方程。事实上，式(1-5)表达的是一个代数方程组。但这个方程组的个数少于未知数i θ (i=1,2, ……,N)的个数。因此，还需要根据边界条件补充进两个方程后代数方程组才封闭。左边界(x=0)为第一类边界条件，温度为已知，因此可以根据式(1-2)直接补充一个方程为： 11==-=∞w w t t θθ 右边界为第三类边界条件，由图1中边界节点N 的向后差分来代替式(1-3)中的导数，得： 01 =?--x N N θθ 1-10 一炉子的炉墙厚13cm ，总面积为202 m ，平均导热系数为1.04w/m.k ，内外壁温分别是520℃及50℃。试计算通过炉墙的热损失。如果所燃用的煤的发热量是 2.09×104kJ/kg ，问每天因热损失要用掉多少千克煤？ 解：根据傅利叶公式 KW t A Q 2.7513.0) 50520(2004.1=-??=?= δλ 每天用煤 d Kg /9.3101009.22 .753600244 =??? 1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度t w =69℃，空气温度t f =20℃，管子外径 d=14mm ，加热段长 80mm ，输入加热段的功率8.5w ，如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？ 解：根据牛顿冷却公式 ()f w t t rlh q -=π2 所以 ()f w t t d q h -= π＝49.33W/(m 2.k) 1-18 宇宙空间可近似地看成为0K 的真空空间。一航天器在太空中飞行，其外表面平均温度为250℃，表面发射率为0.7，试计算航天器单位表面上的换热量。 解：4T q εσ==0.7 155250)./(1067.54 428=???-K m W W/2m 1-30 设图1-4所示壁面两侧分别维持在20℃及0℃，且高温侧受到 流体的加热， )./(200,100,08.02 101K m W h C t m f ===δ,过程是稳态的，试确定壁面材料的导热系数。 解： ()()21111w w w f t t t t h q -= -=δλ () 21111w w w f t t t t h --= ∴δλ ＝64)./(K m W 1-32 一玻璃窗，尺寸为60cm cm 30?，厚为4mm 。冬天，室内及室外温度分别为20℃及-20℃，内表面的自然对流换热表面系数为W ，外表面强制对流换热表面系数为50)./(K m W 。玻璃的导热系数)./(78.0K m W =λ。试确定通过玻璃的热损失。 解： λδA Ah A h T + +?= Φ2111 ＝57.5W 《传热学》实验指导书 热工教研室编 目录 实验要求 (2) 实验一球体法粒状材料的导热系数的测定 (3) 实验二平板法导热系数的测定 (7) 实验三套管换热器液-液换热实验 (12) 实验四中温辐射黑度的测定 (16) 附录1 铜－康铜热电偶分度表 (22) 附录2 精密数字温度温差仪使用方法 (23) 实验要求 1．实验前应预习与实验有关的教材内容和实验指导书，了解实验目的、实验原理和实验要求，做到心中有数。 2．在实验室要首先熟悉实验装置的构造特点、性能和使用方法，使用贵重仪器时需得到指导教师的许可，方可动用。 3．实验时应严肃认真、一丝不苟，细致地观察实验中的各种现象，并作好记录，通过实验，训练基本操作技能和培养科学的工作作风。 4．实验结束时，学生先自行检查全部实验记录，再经指导教师审阅后，方可结束实验。 5．学生实验时，如出现实验仪器损坏情况，应及时向指导教师报告。6．按规定格式认真填写实验报告，并按期交出。 实验一球体法粒状材料的导热系数的测定 一、实验目的 1.巩固稳定导热的基本理论，学习球体法测定物质的导热系数的实验方法； 2.实验测定被测材料的导热系数λ； 3. 绘制出材料导热系数λ与温度t的关系曲线。 二、实验原理 加热圆球（见图1）由两个壁厚1.2毫米的大小同心圆球（1）组成。小球内装有电加热器（2）用来产生热量。大球内壁与小球外壁各设有三对铜-康铜热电偶（4）。当温度达到稳定状态后，电加热器产生的热量全部通过中间的测试材料（3）传到外 气。 1.大小同心球； 2.电加热器； 3.颗粒状试材； 4.铜康铜热电偶； 5.专用稳压电源； 6.专用测试仪； 7.底盘； 8.UJ36a电位差计图1 加热圆球示意图 测取小球的温度t1，t2，t3, 取其平均温度：T1=(t1+ t2+ t3)/3； 测取大球的温度t4，t5, t6，取其平均温度：T2=(t4+ t5+ t6)/3； 《传热学》教学大纲 课程名称：传热学课程编码：20511019 学时：58学分：4 开课学期：第五学期 课程类别：必修 课程性质：专业基础课 适用专业：建筑环境与设备工程专业本科生 先修课程：高等数学、大学物理、流体力学、工程热力学 一、课程的性质、目的与任务： 传热学是建筑环境与设备工程专业四年制本科的主要专业基础课。 该课在该专业的知识结构中是至关重要的。建筑环境与设备专业所研究解决的问题很大一部分是建筑物的温度、湿度问题。气候在变化，建筑物构件每时每刻都在传热；用以改变室内温湿度条件的技术手段中，采暖、空调，热源、冷源等等，大都以传热为主要的物理过程。因此学生传热学学得好坏，直接地影响学生的专业水平。 每门课一般都有丰富的内容和自己的体系。传热学作为有百年历史的老学科，内容极其丰富，也早已自成体系。但在课程建设中，如果每门课都片面、过份地强调把自己的课有科学的、系统的、完整的、严密的体系。则势必引起整个专业学时的不适当膨胀。正确的出发点应着力把整个专业知识结构设计成为一个科学的、系统的、完整的、严密的体系，所涉及的课程应服从整个体系的需要，在专业知识结构中起到恰如其分的作用。传热学是建筑环境与设备工程专业四年制本科的主要专业基础课。 二、课程的基本要求： 传热学内容的实质是三大守衡，即质量守衡，动量守衡与能量守衡；是自然界最基本的定律在热传递现象中的体现。用三大守衡的思想贯穿全篇，使学生掌握温度场与热流密度场的概念和三种基本传热方式的计算方法；使学生能够应用质量，动量与能量平衡的概念将研究对象的传热问题转化为数学模型，列出方程（含微分方程），对部分简单边界条件问题能够求出解析解；并能够应用运用有限差分法在计算机上求解一般的传热问题。 第一章一维稳态导热 平壁（含多层）、圆筒壁（含多层）、肋壁等一维稳态导热热阻公式，复合平壁按一维导热计算的近似热阻公式。 第二章导热理论基础 1、付立叶定律及与之相关的温度梯度、热流密度、导热系数的基本概念及其矢量与分量表达方式80210127传热学C
传热学作业
传热学实验指导书22页
传热学上机C程序源答案之一维稳态导热的数值计算
高等传热学作业修订版
传热学上机实验
西安交通大学传热学大作业---二维温度场热电比拟实验
传热学题目培训讲学
自然对流换热试验
西安交通大学传热学大作业
传热实验实验报告
自然对流强化换热
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传热学-强迫对流实验指导书(2014)
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传热学课后作业问题详解
传热学实验指导书
传热学课程教学大纲