1、精選優質文檔-傾情為你奉上對流換熱系數測定方法 姓 名：喬 邁 指導教師：羅 翔 學 號：SY對流換熱系數測定方法一、前言具有初始溫度T的物體，被突然置于有確定溫度的流場中，該物體與流場構成一個非穩態的換熱體系。在這個非穩態換熱體系中，包含著兩個傳熱環節：一個是物體內部的導熱；另一個是流體于物體邊界的對流換熱。其中影響對流換熱的關鍵參數就是對流換熱系數。對流換熱系數是求解伴有表面對流換熱的熱傳導問題的重要參數之一。直接測定對流換熱系數的方法分為穩態法與瞬態法。穩態法對實驗條件要求苛刻,實驗周期長，誤差大。瞬態法由于實驗周期短，誤差小，近年來被廣泛運用于對流換熱系數測量實驗，通常所說的瞬態法是通

2、過瞬時提高來流溫度或者壁面溫度來達到溫度階躍，測量窄幅熱色液晶顯色時間，通過求解一維半無限大平板非穩態導熱方程得到測量表面的對流換熱系數。實驗中要達到溫度的階躍通常不容易實現，只能是近似階躍，需要進行逐級階躍或者指數函數進行修正。這種處理方式可以近似解決入口溫度非階躍響應問題。但是如果實驗中存在渦流,采取突然提高來流溫度的方法，并不能確定渦流溫度隨時間的變換曲線，對實驗結果造成很大的誤差。為了解決上述問題，本文總結提出了一種測定對流換熱系數的新方法，此方法是以傳熱學中非穩態導熱求解法中的數學分析法集總參數分析法為基礎設計的特定環境下的對流換熱系數測定方法，本文全面分析了各因素對對流換熱系數精度

3、的影響并進行了定量分析此方法簡便可靠在一般條件下誤差不超過1.6%。熱傳導熱對流和熱輻射一般情況下并不是獨立存在的，熱傳導時常伴有表面對流換熱。本文研究的是零件內非等溫場及其變形的研究的一部分內容，其中的熱傳遞現象是導熱對流系統，為了確定零件內的非等溫場，表面對流換熱系數h是必需的參數之一，本文采用了實驗法以求得此參數。傳統的實驗法是以確定準則方程式的函數關系為主要內容，若采用傳統的方法就顯得過于復雜。因此設計了這種以集總參數分析法為基礎的對流換熱系數的測定方法即把導熱體看成集總體，使得導熱體的溫度T只是時間t的函數，對特定環境條件下對流換熱系數的獲得提供了一種方便有效的方法二、實驗的理論分析

4、2.1對流換熱系數分析由牛頓冷卻公式和傅里葉導熱定律可知對流換熱系數為:其中，為流體的導熱系數，為導熱體壁溫，為流體溫度，為流體的溫度梯度，由此式可知h取決于流體的導熱系數，溫度差和貼壁流流體的溫度梯度更準確地說h取決于流體的物性和流動狀況，另外，還受壁面形狀位置，表面粗糙度等的影響。本實驗流體是空氣其溫度壓力和速度均為定值因此雷諾數Re，普朗特數Pr均為常量其努謝爾特數為：其中L為導熱體的特征尺寸c ，n， m均為可確定的常數，則:Const由以上分析可知對流換熱系數在本實驗中為定值可以用集總參數分析法進行求解。2.2集總參數分析法非穩態導熱過程中當導熱體的導熱熱阻(為導熱體的導熱系數)遠小

5、于導熱體與流體間的對流熱阻時，在同一瞬間導熱體內各點的溫度相差不大，因此可把全部物質看作一個處于平均溫度下的集總體，亦即集總參數系統來分析。該分析法通常稱為集總參數分析法(Lumped Parameter Analysis)。此時溫度T僅為時間t的函數即T=f(t)。應該注意只有當代表導熱熱阻和對流熱阻之比的畢渥數時導熱體才可看作集總體。假設導熱體的初始溫度為T0并在Bi<0.1的條件下被周圍流體所冷卻，導熱體和流體接觸的某一瞬間其能量平衡式為：其中A為與流體接觸的導熱體面積，為導熱體密度，V為導熱體體積Cp為導熱體比熱，引入過余溫度，則，代入上式得：此式代表了導熱體溫度與時間的關系，假

6、設V、A、h、cp均為已知的定值，自t =0時的至t=t時的，對上式進行積分得：即： （1）三、實驗裝置和實驗過程本實驗測定一個邊長為20.1 mm的純銅制正方體試件的溫度隨時間的變化，試件的五個面絕熱一個面直接接觸流體。實驗裝置如圖1。該實驗的測量過程如下：將恒溫箱的溫度設置在20并使其保溫3s以保持箱內流體溫度的均勻性，將試件加熱到80左右迅速放入恒溫箱中的隔熱盒，觀察溫度傳感器示值當其達到50時開始計時，每隔1記下時間，直到其達到24時結束。考慮到對流換熱系數與壁面的位置有關實驗中選取了4個不同的位置進行測量。4實驗結果及其分析4.1實驗結果根據實驗結果由式(1)可得整個測量過程中的對流

7、換熱系數見表1，20.01時測量間隔為1所得各表面對流換熱系數見圖2根據實驗結果即符合集總參數分析法條件。4.2誤差分析1、測溫傳感器的測溫精度為±0.05由此引起的誤差為:這兩項誤差分別不超過±0.38 ，±0.01 。2、 控溫裝置的測溫精度為±0.2，溫度波動幅度為±0.5，溫度均勻度為±2。測量過程中每次恒溫狀態下的流體溫度均用測溫傳感器進行測量，多次測量表明驗位置的溫度波動幅度為±0.1此項誤差為其最大值不超過±0.66。3、計時用秒表的精度為±0.5 s其引起的誤差其最大值不超過0.03。4、

8、試件的尺寸精度為±0.03 mm其引起的誤差為其最大值不超過±0.09 。5、試件的表面粗糙度對對流換熱系數的影響，對參數的恒定值，假設熱輻射以及隔熱不完全引起的誤差均可忽略不計，對所有誤差進行數據處理所得對流換熱系數相對誤差在1.21.6%之間。 上述實驗裝置測量的是自然對流換熱系數，對裝置進行改裝后，如加上進出口裝置，就可以測量強迫對流換熱系數。五、結論1、本方法的測量對象應滿足Bi<0.1；2、本文所采用的方法測得的對流換熱系數可控制在1.21.6%之間，該方法為測定特定環境條件下的對流換熱系數提供了簡便可靠有效的方法。瞬態實驗方案的特點之一就是不必等待換熱過程的熱平衡，即在換熱的過程中測量所需數據，避免了冗長的等待時間，由于試驗周期短，有時熱損失的處理也較為簡單。由于實驗設備不需達到熱平衡狀態，所以在實驗設備中也就省略了穩態試驗設備中的冷卻裝置，使設備的結構得到了簡化。另外，對實驗材料的耐溫要求也降低了，試件不必長時間的承受高溫，因此給高氣溫實驗也帶來了方便。對于瞬態試驗，人們關心的是溫度的測量，而不像穩態試驗那樣，即關心溫度的測量又關心熱流密度的測量。由于溫度的測量都是瞬態的冊來那個，因此對測