实验五 空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定.doc

实验五 空气橫掠圆柱体时局部换热系数的测定一、实验目的1.了解实验装置的原理、测试系统及测试方法。2.通过对实测数据的整理，了解局部换热系数的变化规律。3.分析讨论局部换热系数的变化原因，以加深对对流换热现象的认识。二、实验原理局部换热系数是对流换热中的重要概念。特别是流体外掠物体时，物体表面各部位的局部换热系数变化很大。本实验通过测量空气橫掠表面热流密度为恒定值的圆柱体时的局部换热系数来认识这一现象。按定义，局部换热系数由下式确定 (w/m2K)式中，物体表面的热流密度，W/m2；对应于某一圆周角的表面温度，；流体主流温度，。当热流密度为恒定值的圆柱体表面被恒温空气橫掠时，其表面温度沿圆周的变化可直接反映出表面换热系数沿圆周角的变化。三、实验设备本实验是由一风洞和实验段所构成。图1为实验段的结构简图。 在有机玻璃风道1的中间橫置一可旋转的胶木圆柱体2，其中段沿周向包覆一层不锈片3，片内表面设置了一对铜康铜热电偶4，不锈钢片两端与电源导板6连接。图2 为本实验装置及测量系统的原理图。风源2为一箱式风洞。风机、稳压箱、收缩口都设置在箱内。空气入口处有一调节风门。风箱顶部中央为空气出口，从中流出的空气形成了一段均匀流速的空气射流，实验段的风道3即放置在这出风口上。1-风道；2胶木圆柱体；不锈钢片；热电偶；电源导板图1 实验段的结构简图圆柱体上的不锈钢片被由硅整流电源1供给低电压大电流直流电直接通电加热。电路中串联一标准电阻5。用数字毫伏表10经转换开关9测量电阻5上的电压降，然后确定流过不锈钢片的电流量。不锈钢片两端的电压也用电位差计测量，由于受量程的限制，测压电路中接入一个分压箱8。为了简化测量系统，测量圆柱体表面温度的热电偶，其参考点的温度不用摄氏零度，而是用气流的温度做参考，即热电偶的热端6设在不锈钢片的内表面上，冷端7则放在空气流中。所以热电偶反映的热电势为圆柱体表面温度与空气流温度之差 所产生的热电势，这个热电势亦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角度的位置时，就可以测出不同角度处圆柱表面与空气流的温度。空气来流速度经毕托管12由倾斜式微压计11测量。空气来流温度用水银温度计测量。 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热偶热端；7热偶冷端； 8分压箱；9转换开关；10电位差计；11微压计；12皮托管;13调风门图实验装置及测量系统的原理图四、实验步骤1.打开风机，调节风门在适当位置，用毕托管测定空气流速度。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至输出电压为零的位置。然后按下开机按钮。4.逐步提高整流电源的输出电压，对不锈钢片缓慢加热，使其达到预定温度。为了保证不至于损坏试件又能达到足够的测温准确度，不锈钢片表面温度大约控制在80以下，为此可在逐步提高工作电压的同时用手不断抚摸不锈钢片，直至手无法再忍受为止。5.待热稳定后，用数字毫伏表测量前驻点位置的温差热电势。6.从前驻点0开始，每间隔10作一次测量，直到180 为止。每旋转一角度须待热稳定后再测量。测量可沿一半圆柱体表面进行。但待一半测量完毕后，对另一半应选几点，作为对称性检验。五、基本参数及有关计算式圆柱体试件基本参数：风道通流截面尺寸 0.08 m0.16 m直径 D 4810-3 m不锈钢片厚度 1 10-3 m 不锈钢片宽度 b 40 10-3 m不锈钢总长 L 0.147 m1.圆柱体表面壁温所用测温热电偶为铜康铜热电偶，以室温为热电偶的冷端参考温度，当室温与热端温度差在5080范围内变化时，对应于冷、热端每一度温差所产生的热电势可近似取0.043mV/。这对本实验已足够准确了。因此，由测得的温差 所产生的热电势即可求得 ()2.流过不锈钢片的电流I标准电阻为150A/75mV，所以在标准电阻上每1mV的电压降相当于2A电流通过，即 (A)式中： U1标准电阻两端的电压降，mV。3.不锈钢片两端的电压降U (V)式中：K分压箱倍率，取201；U2经分压箱后测得的电压降，mV。4.空气来流速度u (m/s)式中：空气密度， kg/m3,由气流温度tf 查表确定；h皮托管测得的来流动压头，mmH2O。5.局部对流换热系数本实验中做下列假设：a) 电热功率均布在整个圆柱体表面。b) 不计圆柱体向外界的辐射换热。c) 忽略圆柱体表面不锈钢片的周向导热。 局部换热系数可按下试计算 (W/m2K)6.努谢尔特准则Nu和雷诺准则Re定型尺寸用圆柱外径D，定性温度取（ttf ）/2六、实验要求1.预习实验指导书。掌握实验原理和实验方法，明确如何记录及整理实验数据。2.书写实验报告。其主要内容包括：实验原理简述和实验装置简图及其简介，实验数据记录和计算结果，绘制并分析ttf 和Nu曲线，根据Nu变化关系求出在该Re下的平均Nu，对实验中涉及到的问题进行分析讨论。七、实验数据不锈钢片宽度b m 不锈钢片总长L m 空气温度ta 大气压力pa pa U1 mv U2 mv h mmH2O0ttf0ttf0180101902020030210402205023060240702508026090270100280110290120300130310140320150330160340170350八、注意事项1. 实验前首先要了解实验装置的基本部件，并熟悉仪器的使用方法。2柱体壁温不允许超过规定的范围。实验结束时必须先关加热电源，待试件冷却后再关风机。九、思考题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称为阻塞比。本实验装置的阻塞比是多少？试分析它对对流换热有何影响？2.实验数据处理时忽略了那些传热？为什么可以忽略这些传热？如果不能忽略这些传热时，应如何计