2空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定z.doc

实验二 空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定流体绕流圆柱（包括球）的流动，是理想流体势流流动教学的难点，也是工程应用中普遍采用的技术，如汽车、火箭、飞机、导弹等的表面形状与阻力计算、足球、高尔夫球运动的升力控制等的基础；实际流体绕固体流动的压力变化与边界层及其分离紧密联系的，概念规律更加复杂。流动与传热保持着天然的联系，流体绕流圆柱对流换热局部表面换热系数是比较抽象的概念，流体外掠固体表面特别是曲面表面时，局部表面换热系数变化很大，是柴油机的水、油冷却器、火力发电、能源化工、制冷空调等行业的热交换器设计制造的重要参考数据。一、实验目的1.了解实验装置的原理、构成、实验方法；2.整理实验数据，观察圆柱表面局部换热系数的变化特点；3.（较高要求）分析数据变化的原因，加深理解对流换热的规律。二、实验原理 圆柱表面一点的局部换热系数式中：q物体表面的热流密度； t某一圆周角处表面的温度； tf空气来流温度。当圆柱表面热流密度恒定，且被温度均匀、流速恒定的空气平行流横掠时，圆柱温度沿圆周角度的变化直接反映表面换热系数的特性。三、实验装置实验系统包括箱式风源（小型风洞）、风道、实验圆柱体，以及稳压电源、测量仪表，图1所示。箱式风源中包括风机、稳压箱、气流收缩口。风源入口有一调节风门，可改变来流风速的大小。风箱顶部中央是气流出口，气流被均流化，成为平行流。有机玻璃风道中间横置可旋转的胶木圆柱体（图2），圆柱中间段沿圆周方向包覆一层不锈钢片，片的内表面布置一对铜康铜热电偶，不锈钢片的两端与电源导板相连。热电偶热端的位置由相对来流前驻点的角度表示。从圆形刻度盘读数。在圆柱体的上游来流截面架设皮托管，以测量来流总压（或流速）。圆柱体的不锈钢片由硅整流电源提供的低压大电流直流电加热，同时串联标准电阻。用数字毫伏表或者电位差计测量标准电阻上的电压，以此确定不锈钢片的电流。本实验采用电位差计，因受量程限制，测量线路中必须接分压箱。 为了简化测量系统，用热电偶测量圆柱表面温度时的冷端（参考点）温度不用0而是气流温度tf。热电偶的热端接点连在不锈钢片上，另一端即冷端接触空气气流。热电偶记录的是圆柱表面与空气气流的温度差产生的热电位差。该热电势差信号经过转换开关用同一台电位差计测量。将圆柱体旋转到不同的角度位置，就可测出该处圆柱表面的温度。空气来流速度可由皮托管、倾斜式微压计测出，空气来流温度由水银温度计读出。13图1 实验装置示意图1.低压直流电源 2.风源 3.实验段风道 4.圆柱试件 5.标准电阻6.热电偶的热接点 7.热电偶的冷端 8.分压箱 9.转换开关10.电位差计 11.倾斜式微压计 12.皮托管 13.调节风门图2 实验圆柱体的结构1 风道 2 胶木圆柱体 3 不锈钢片 4 热电偶 5 电源导板四、实验步骤1.开启风机，调节风门位置，用皮托管测量空气流速。2.旋转圆柱体，使其测温点处于来流前驻点的位置。3.将整流电源的电压调节旋钮旋转至电压为0的位置，再按下开机按钮。4.逐步提高整流电源的输出电压，给不锈钢片缓慢加热，至预定温度，为了不损坏试件且测温精度足够，不锈钢片表面温度应在80以下，采用逐步加热和反复试探法确定温度。5.待热稳定后，用电位差计测量前驻点位置=0的温差热电势。6.从前驻点位置开始，每增加10角，待热稳定后，记录一次电势差（温差），直至=180。 7.当圆柱一半周面转过之后，在另一半周面选取几个测点，作对称性检验。五、实验已知条件和数据处理风道通流截面0.08m0.16m；圆柱直径D=4810-3m；不锈钢片厚度=110-3m；宽度b=4010-3m； 总长度L=0.147m。计算公式：1.圆柱表面温度 温差信号采集借助于铜-康铜热电偶传感器，当气流温度与热电偶热端温差介于5080内，热电偶冷热端每1温差对应热电势0.043mV。则温差2.流过不锈钢片的电流 实验中标准电阻150A/75mV，故该电阻上每1mV电压对应的电流强度2AI=2U1式中：U1是标准电阻两端电压。3.不锈钢片两端压降U=KU210-3 式中：K 是分压箱倍率，K=201；U2是分压箱后测得电压，mV。4.空气来流速度式中：是空气密度，由气流温度查表得出； h是皮托管测得来流动压，mmH2O5.局部表面对流换热系数实验作如下假设： （1）电加热功率均匀分布在整个圆柱表面； （2）不计圆柱表面向周围的辐射散热； （3）忽略圆柱不锈钢片的沿周向导热。 6.无量纲数， 定性尺寸为圆柱外直径，定性温度取圆柱表面和空气的平均温度。六、实验要求 实验数据记录： 空气气流温度 C；大气压强 (Kpa) ； U1 V； U2 (V)； h mH2O。t-tfht-tfh0180101902020030210402205023060240702508026090270100280110290120300130310140320150330160340170350注意：（1）实验前应了解实验装置构造和使用方法；（2）圆柱温度不得超温；（3）实验结束，先关加热电源，空气继续流动，待试件降温足够低后再关风机。七、思考1.圆柱体在实验风道截面上的投影面积与风道截面积之比是阻塞比，求实验装置的阻塞比，并分析它对于对流换热的影响。2.实验处理数据忽略哪些传热，为什么可以忽略？如果应当考虑，应如何计算局部传热系数