实验8 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13Re Pr nNu C =⋅⋅。

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=)(f W t t A Q-Q A t=⋅∆ w/m 2·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;w t — 空气横掠单管时单管壁温 ℃；f t — 空气横掠单管时来流空气温度 ℃；t ∆— 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 vud =， 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 —流体的运动粘度（㎡/s ）。

3）.物体的物理性质： Pr — 普朗特数，Pr=αν= cpμ/k 其中α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(Re,Pr)Nu f =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=vul =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=αν 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=λhd（努谢尔数）4).Gr=23νtgad ∆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。

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()()99.0/=--∞t t t tww，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δt(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：(Re,Pr)Nu f = (8-2 ) 空气横掠单管换热时，实验关联式为：13Re Pr n Nu C =⋅⋅ （8-3）在定常性温度下(m t )，普朗特数r P 可视为常数，故（3）简化为：Re n Nu C '= （8-4）式中Nu — 努谢尔数，Nu λhd=，Re — 雷诺数， Re vud =， Pr — 普朗特数，1313Pr Pr C C C '=⋅=⋅ (8-5) C ,n — 由实验确定的常数，m t —定性温度由下式确定：()2+=w f mt t t ℃ （8-6） T w上述公式中，d —外管径（m ），λ—流体的导热系数（w/m ·℃），u —流体在实验测试段中的流速（m/s ），v —流体的运动粘度（㎡/s ）。

7．实验关联式计算设y=lgNu ，x=lgRe ，在双对数坐标系下，公式（8-4）可写为：lg y n x C '=⋅+ （8-7） 根据最小二乘法原理，常数lg C 及n 可按下式计算：211112211lg ======-'=⎛⎫- ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑∑N N N Ni iiiii i i i NNi i i i x y x y xC x N x （8-8）n =1112211N N Niiiii i i NNi ii i x y N x yx N x =====-⎛⎫- ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑ (8-9)式中： N 为实际工况测试点数(N=11或N ＝10)。

8．实验参数计算（1）空气流速u 根据u=空介ρρ3102-⨯H g m/s （8-10）式中：g — 重力加速度， m/s 2H — 微压计动压头（实测）， （酒精柱高） ρ介— 酒精密度(ρ介=0.89*103kg/m 3)，ρ空— 空气密度（查表）， kg/m 3（2）单管加热量QQ=UI 单位：W （8-11） 式中 U — 实验管端电压（实测）， I — 实验管工作电流（实测）。

9．实验结果误差计算用均方根误差σ可以反映实验点（x,y ）与关联式代表线 (lg y n x C ''=⋅+)的平均偏差。

21()Nii iyy N σ'-=-∑， （8-12）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t w ，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t w 等于内壁温度t w ´。

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t w ´，冷端所处为空气温度t f ，由电位差计测出温差热电势E （f w t t ,'）。

空气温度t f 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: lg y n x 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t f 空气温度时，用水银温度计放在t f 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 t ∆(＝M v ×23.2)℃来流空气温度 ft℃f t ＝(t f1+t f2+t f3)/3试件壁温（计算） t w℃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ρ(f t )Kg/m 3 u (f t )m/s 定性温度t m℃λ(t m ) w/m Kυ(t m ) m 2/s ()r m P t()r m P tQwh w/m 2KNu ReX=lgRey=lg Nulg y n x C ''=⋅+待定常数 C ',C ,n实验关联式：13'=⋅=⋅⋅/Re Re Pr n n Nu C C 平均偏差1--风箱； 2--风机； 3--有机玻璃风道；4--薄壁不锈钢圆管； 5--硅整流电源；6--调风门；7--毕托管；8--倾斜式微压计；9--分压箱；10--转换开关；11--电位差计；12--标准电阻；13、14--温差热电偶。

图8-1 实验系统装置结构图。