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实验8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验 完成稿 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Nu?C?Re n?Pr13。 3.学习对流换热实验的测量方法。 二、实验测算公式1根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h。 即h=Q Q?w/m2K（8-1）A(t W?t f)A?t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;t w空气横掠单管时单管壁温；t f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，；2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Nu?f(Re,Pr)(8-2)空气横掠单管换热时，实验关联式为Nu?C?Re n?Pr13（8-3）在定常性温度下(t m)，普朗特数P r可视为常数，故 （3）简化为Nu?C?Re n（8-4）式中Nu努谢尔数，Nu?hd?，Re雷诺数，Re?Pr普朗特数，ud，vC?C?Pr13?C?Pr(8-5)C,n由实验确定的常数，13t m定性温度由下式确定t mt w?t f?（8-6）?2上述公式中，d外管径（m），?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）。 3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y?n?x?lgC?（8-7）根据最小二乘法原理，常数lgC及n可按下式计算lgC?x y?x?y?xi ii ii?1i?1i?1i?1N N N N2i?2x?i?N?x ii?1?i?1?N2N（8-8）n=?x?y?N?x yii ii?1i?1i?1NN N Ni?2x?i?N?x ii?1?i?1?N2(8-9)式中N为实际工况测试点数(N=11或N10)。 4实验参数计算 （1）空气流速u根据u=2g?介H?10?3?空m/s（8-10）2式中g重力加速度，m/s H微压计动压头（实测），（酒精柱高）?介酒精密度(?介=0.89*103kg/m)，33?空空气密度（查表），kg/m （2）单管加热量Q Q=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）。 5实验结果误差计算用均方根误差?可以反映实验点（x,y）与关联式代表线(y?n?x?lgC?)的平均偏差。 ?(yiNi?y i?)2，（8-12）N?1其中，N为测试点数(N=11或N10)。 6.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。 7.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?Q/A(t w?tf)?Q/A?t w/m2K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;t w空气横掠单管时单管壁温；tf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，；8.影响h的因素1）.对流的方式对流的方式有两种； （1）自然对流由流体冷、热各部分的密度不同，所引起的流动。 （2）强迫对流由外力（风机、水泵等）驱动的流体流动。 2）.流动的情况流动方式有两种；一种为雷诺数Re10000的紊流。 针对管内流动，当Re2300时为稳定层流；Re1104时为旺盛紊流；2300Re1104时则为不稳定的过渡段。 Re雷诺数，Re?ud，v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）.物体的物理性质流体物性参数有比热容，导热系数，运动粘度，动力粘度，导热率，普朗特数，需要在定性温度下测得物性参数。 定性温度是指某种介质（冷介质或热介质）在求物性参数时使用的温度，如果介质粘度不大，取进出口温度的算术平均温度，如果粘度较大，可加权平均。 Pr普朗特数，Pr=其中?为热扩散率,v为运动粘度,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）流体有无相变:发生流体集态改变（或相变），如液体受热沸腾或蒸汽遇冷凝结的对流换热过程，称为相变换热。 相变换热较强烈。 冷结流体降温到一定温度时出现的固化现象，在流体从液态开始转化为固态到完全转化为固态期间流体温度不变，如下图为冷结的流体持续加热温度变化，B点时开始溶解，C点完全转化为液体。 ?=cp/k?沸腾是指流体受热超过其饱和温度时，在流体内部和表面同时发生剧烈汽化的现象，沸腾开始到结束期间流体温度不变如下图流体持续加热温度变化，B点开始沸腾，到C点借宿，期间温度不变。 5）换热面的形状和大小及位置:影响流体的流动情况，边界层的形成、发展产生显著影响，从而影响对流换热。 定性尺寸同样准则方程式中还有一些准则数要涉及到其空间尺寸，这些尺寸对固体壁面的放热情况有决定性的影响，称这些尺寸为定性尺寸。 6）流体的热物理性质导热率?热导率越大，流体内部和流体与壁面间导热热阻越小，对流换热就越强烈。 密度动力粘度，运动粘度v，粘度影响流体的速度分布与流态，不利于热对流。 ?和比热c反映单位体积流体热容量的大小，是衡量流体载热能力的标志。 ? 9、详细介绍4个准则数及其物理意义反映流动状况的雷诺准则Re?ud ud?v物理意义反应流体强制对流时，惯性力和粘滞力的相对大小。 ?c pv?反映流体物理性质的普朗特准则p r?a物理意义反应流体动量扩散能力与热扩散能力的相对大小。 gad3?t格拉晓夫准则Gr?v2物理意义反应自然对流对换热过程中，浮升力与粘滞里的相对大小。 表示对流换热强弱的准则努谢尔特准则Nu?hd?物理意义:反应对流换热过程中壁面法向温度梯度大小的影响 10、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Nu?f(Gr,Pr)1）.Re=?ul v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/。 其中U为速度特征尺度，L为长度特征尺度，为运动学黏性系数。 2).Pr=?hd（努谢尔数）?定义流体运动学黏性系数与导温系数比值的无量纲数3).Nu=4).Gr=gad3?t?2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。 11.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?tw?t?/?t?t?0.99，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w?边界层的厚度,记为t(x)1）对流换热的机理:对流换热传热机理由于流体粘滞力的作用，使流体在固体壁面上处于不流动的状态，所以使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。 通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而对流换热过程热对流与导热的综合作用的结果。 2）边界层的理论 1、流动边界层定义固体表面附近速度发生急剧变化的薄层。 流体流过固体壁面时，由于壁面层流体分子的不滑移特性，在流体黏性力的作用下，近壁流体流速在垂直于壁面的方向上会从壁面处的零速度逐步变化到来流速度，如图510所示。 流体流速变化的剧烈程度，即该方向上的速度梯度，与流体的黏性力和速度的大小密切相关。 普朗特通过观察发现，对于低黏度的流体，如水和空气等，在以较大的流速流过固体壁面时，在壁面上流体速度发生显著变化的流体层是非常薄的。 因而他把在垂直于壁面的方向上流体流速发生显著变化的流体薄层定义为速度边界层，而把边界层外流体速度变化比较小的流体流场视为势流流动区域。 这样，引入边界层的概念之后，流体流过固体壁面的流场就人为地分成两个不同的区域，其一是边界层流动区，这里流体的黏性力与流体的惯性力共同作用，引起流体速度发生显著变化；其二是势流区，这里流体黏性力的作用非常微弱，可视为无黏性的理想流体流动，也就是势流流动。 2.热边界层定义当流体流过平板而平板的温度t w与来流流体的温度t不相等时，对于上述的低黏性流体，如果流体的热扩散系数也很小，在壁面上方也能形成温度发生显著变化的薄层，常称为热边界层。 热边界层厚度仿照速度边界层的约定规则，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t w?tt w?t?0.99，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。 如果整个平板都保持温度t w，那么，x=0时t(x)=0，且随着x值的增大逐步增厚。 在同一位置上热边界层厚度与速度边界层厚度的相对大小与流体的普朗特数Pr有关，也就是与流体的热扩散特性和动量扩散特性的相对大小有关。 12、举例说明对流换热的计算过程例题以圆管内单相强制对流换热为例(a)确定相关的物理量h?f(u,d,?,?,p,c p)n?7(b)确定基本量纲r h:kg mW kg?md:m?:?u:33m?K s?K ss?Kkg kgJ m2?:Pa?s?p:3c p:?m?s mkg?K s2?K国际单位制中的7个基本量长度m，质量kg，时间s，电流A，温度K，物质的量mol，发光强度cd因此，上面涉及了4个基本量纲时间T，长度L，质量M，温度Q所以r=4?7:h,u,d,?,?,p,c pr?4:?T?,?L?,?M?,?nr=3，即应该有三个无量纲量，因此，我们必须选定4个基本物理量，以与其它量组成三个无量纲量。 我们选u,d,l,h为基本物理量(c)组成三个无量纲量n1?hua1d b1?c1?d1n2?pua2db2?c2?d2n3?c pua2db3?c3?d3(d)求解待定指数，以p1为例n1?hua1db1?c1?d1?M1T?3?1?La1T?a1?Lb1?Mc1Lc1T?3c1?c1?Md2L?d1T?d1?M1?c1?d1T?3?a1?3c1?d1?1?c1?La1?b1?c1?d1?1?c1?d1?0?a1?0?3?a?3c?d?0?b?1?111?1?1?c?o c?11?1?a1?b1?c1?d1?0?d1?0hdn1?hua1db1?c1?d1?hu0d1?1?0?Nu?同理n2?pud?ud?Re vn3?c pv?Pr?a于是有Nu?f(Re,Pr)单相、强制对流强制对流Nu?f(Re,Pr)Nu x?f(x?,Re,Pr)自然对流换热Nu?f(Gr,Pr)混合对流换热Nu?f(Re,Gr,Pr)Nu待定特征数含有待求的h）；Re，Pr，Gr已定特征数按上述关联式实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何问题.1根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h。 即h?Q Q w/m2K（8-1）?A(t W?t f)A?t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;t w空气横掠单管时单管壁温；tf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，；2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Nu?f(Re,Pr)(8-2)空气横掠单管换热时，实验关联式为Nu?C?Re?Pr（8-3）在定常性温度下(t m)，普朗特数P r可视为常数，故简化为n13Nu?C?Ren（8-4）式中Nu努谢尔数，Nu?Re雷诺数，Re?Pr普朗特数，hd?，ud，vC?C?Pr13?C?Pr(8-5)13C,n由实验确定的常数，t m定性温度由下式确定t m?(t w?t f)2（8-6）上述公式中，d外管径（m），?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）。 3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y?n?x?lgC?（8-7）根据最小二乘法原理，常数lgC及n可按下式计算lgC?x iy i?x i?y i?x ii?1i?1i?1i?12N N NN2(?x i)?N?x i2i?1i?1NN（8-8）n?x?yii?1i?1Ni?1N Ni?N?x iy ii?1NN(8-9)2(?x i)2?N?x ii?1式中N为实际工况测试点数(N=11或N10)。 4实验参数计算 （1）空气流速u根据u?2g?介H?10?3?空m/s（8-10）2式中g重力加速度，m/s H微压计动压头（实测），（酒精柱高）?介酒精密度(?介=0.89*10kg/m3)，3，kg/m?空空气密度（查表）3 （2）单管加热量Q Q=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）。 5实验结果误差计算用均方根误差?可以反映实验点（x,y）与关联式代表线(y?n?x?lgC?)的平均偏差。 ?(yiNi?y i?)2，（8-12）N?1其中，N为测试点数(N=11或N10)。 13.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为Nu?C?Ren?Pr1/3在定常性温度下(t m)，普朗特数P r可视为常数，故简化为Nu?C?Ren式中Nu努谢尔数，Nu?hd?ud Re雷诺数，Re?，v Pr普朗特数，C?C?Pr1/3?C?Pr1/3C,n由实验确定的常数，t m定性温度由下式确定t m?(t w?t f)/2上述公式中，d外管径（m），?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）。 14实验关联式计算设y=lgNu，x=lgRe，在双对数坐标系下，公式可写为y?n?x?lgC?根据最小二乘法原理，常数lgC及n可按下式计算lgC?x iy i?x i?y i?x i/(?x i)?N?x i222i?1i?1i?1i?1i?1i?1N Nn?xi?1Ni?yi?1Ni?N?x iy i/(?x i)?N?x i22i?1i?1i?1NNN式中N为实际工况测试点数(N=11或N10)。 14实验结果误差计算用均方根误差?可以反映实验点（x,y）与关联式代表线(y?n?x?lgC?)的平均偏差。 ?N?(y i?y?)2i?/N?1?i?其中，N为测试点数(N=11或N10)。 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0.20.3mm，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（t w,tf）。 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9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