实验8-空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验

1、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。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= w/m2K （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 ; 空气横掠单管时单管壁温 ； 空气横掠单管时来流空气温度 ； 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

2、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Re10000的紊流。Re 雷诺数， Re ，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，外管径（m），流体在实验测试段中的流速（m/s），流体的运动粘度（/s）。3）.物体的物理性质：Pr 普朗特数，Pr= cp/k 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).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

3、迫对流公式为 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=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=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=（努谢尔数）4).Gr=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

4、温度梯度，主流区温度梯度为零。 Tw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 ，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t(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： (8-2 ) 空气横掠单管换热时，实验关联式为： （8-3）在定常性温度下()，普朗特数可视为常数，故（3）简化为： （8-4）式中 Nu 努谢尔数，Nu ， Re 雷诺数， Re ， Pr 普朗特数， (8-5), 由实验确定的常数， 定性温度由下式确定： （8-6）上述公式中，外

5、管径（m），流体的导热系数（w/m），流体在实验测试段中的流速（m/s），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： （8-7） 根据最小二乘法原理，常数 及可按下式计算： （8-8）= (8-9)式中： N为实际工况测试点数(N=11或N10)。 8实验参数计算 （1）空气流速u 根据 u= m/s （8-10）式中： 重力加速度， m/s2 H 微压计动压头（实测）， （酒精柱高） 酒精密度(介=0.89*103 kg/m3)， 空气密度（查表）， kg/m3 （2）单管加热量Q Q=UI 单位：W （8-11）式中 U

6、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 用均方根误差可以反映实验点（x,y）与关联式代表线 ()的平均偏差。， （8-12）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

7、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tw，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tw等于内壁温度tw。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tw，冷端

8、所处为空气温度tf，由电位差计测出温差热电势E（）。空气温度tf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: 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

9、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tf 空气温度时，用水银温度计放在tf 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（= 0.2P）m电压V（5倍率）mVU（V0.201）V电流A（5倍率）mVI（A2）A温差Mv （5倍率）mV(Mv23.2)来流空气温度 (tf1+tf2+tf3)/3试件壁温（计算） tw表8-2 实验工况整理记录变量名称单位变 量 计 算最大1101009080706050403020()Kg/m3u ()m/s定性温度tm(tm)w/mK(tm)m2/sQ whw/m