實驗8空氣橫掠單管強迫對流換熱系數測定實驗一、實驗目的1.測算空氣橫掠單管時的平均換熱系數h。2.測算空氣橫掠單管時的實驗準則方程式。3.學習對流換熱實驗的測量方法。二、實驗原理1對流換熱的定義對流換熱是指在溫差存在時，流動的流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程。2、牛頓冷卻公式根據牛頓冷卻公式可以測算出平均換熱系數h。即：h=w/m2·K（8-1）式中：Q—空氣橫掠單管時總的換熱量，W；A—空氣橫掠單管時單管的表面積，m2;—空氣橫掠單管時單管壁溫℃；—空氣橫掠單管時來流空氣溫度℃；—壁面溫度與來流空氣溫度平均溫差，℃；3、影響h的因素1）.對流的方式：對流的方式有兩種；（1）自然對流（2）強迫對流2）.流動的情況：流動方式有兩種；一種為雷諾數Re<2200的層流，另一種為Re>10000的紊流。Re—雷諾數，Re，雷諾數Re的物理定義是在流體運動中慣性力對黏滯力比值的無量綱數。上述公式中，—外管徑（m），—流體在實驗測試段中的流速（m/s），—流體的運動粘度（㎡/s）。3）.物體的物理性質：Pr—普朗特數，Pr==cpμ/k其中為熱擴散率,v為運動粘度,μ為動力粘度；cp為等壓比熱容；k為熱導率；普朗特數的定義是：運動粘度與導溫系數之比4).換面的形狀和位置5).流體集體的改變相變換熱：凝結與沸騰4、對流換熱方程的一般表達方式強制對流：由外力（如：泵、風機、水壓頭）作用所產生的流動強迫對流公式為自然對流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產生的流動。自然對流公式為Nu=f（Gr，Pr）1）.Re=雷諾數Re的定義是在流體運動中慣性力對黏滯力比值的無量綱數Re=UL/ν。其中U為速度特征尺度，L為長度特征尺度，ν為運動學黏性系數。2).Pr=定義：流體運動學黏性系數γ與導溫系數κ比值的無量綱數3).Nu=（努謝爾數）4).Gr=式中a為流體膨脹系數，v為流體可運動系數。格拉曉夫數，自然對流浮力和粘性力之比，控制長度和自然對流邊界層厚度之比。5、對流換熱的機理熱邊界層熱邊界層的定義是：黏性流體流動在壁面附近形成的以熱焓(或溫度)劇變為特征的流體薄層熱邊界層內存在較大的溫度梯度，主流區溫度梯度為零。三、實驗設備實驗系統裝置結構如圖8所示。實驗主體由風箱、風機、有機玻璃風道組成。試驗管為薄壁不銹鋼加熱圓管，安裝在有機玻璃風道實驗段中間。采用低電壓大電流的直流電對試驗管直接加熱。低壓大電流直流電由硅整流電源供給。調整硅整流電源可改變圓管加熱功率。為使雷諾數Re有較大的變化范圍，一方面在每個實驗臺上安裝不同直徑的單管；另一方面，通過調節風機入口處的調風口來改變空氣的流速。四、測試方法及實驗步驟在試驗管處風道中裝有畢脫管，通過傾斜式微壓計測出實驗段中空氣來流的動壓H，然后計算空氣流速u。為了準確測定試驗管上的加熱功率并排除管子兩端的影響，在距離管端一定距離處焊有二電壓測點a、b，經過分壓箱和轉換開關，用電位差計準確測定該二電壓測點處的電壓降U。試驗管的加熱回路中串聯了一標準電阻，電流流過標準電阻時的電壓降△U經轉換開關和電位差計測量，然后確定流過試驗管的工作電流I。為了確定實驗管壁的溫度tw，在試驗管內壁埋設熱電偶(熱端)，由于管壁很薄，僅0.2～0.3mm，故可足夠準確地認為外壁溫度tw等于內壁溫度tw′。為使測量系統簡化，冷端熱電偶置于空氣流中。既熱端所處溫度為管內壁溫度tw′，冷端所處為空氣溫度tf，由電位差計測出溫差熱電勢E（）。空氣溫度tf用掛在墻壁上的水銀溫度計測量。實驗時對每一種直徑的管子，空氣流速可調整10個工況，加熱電流可根據管子直徑及風速大小適當調整，保持管壁與空氣間有一定的溫差。每調整一個工況，須待工況穩定后才能測量有關數據。六、實驗報告1．完成實驗原始數據記錄（表8-1）。2．完成實驗工況數據處理（表8-2）。3．將測出的實驗點(X1,Y1)～(X11,Y11)繪在坐標圖上，試說明實驗點的分布規律。4．將實驗關聯式的代表線:繪在坐標圖上，試算出實驗點與代表線的平均偏差。注：建議用計算機Excel完成上述實驗曲線。七．實驗注意事項：1靠近窗戶的試驗臺，做實驗時，一定要把窗簾拉上，光線直射影響實驗數據。2轉換開關不能放在電源板近處，如靠門實驗臺的轉換開關遠離電源板及風機箱時，電位差計的測量讀數穩定，指針不擺動。3測量tf空氣溫度時，用水銀溫度計放在tf接近處測量。八、思考題1．實驗管徑與準則方程式有什么關連？對于空氣橫掠單管強迫對流換熱過程，你能在教材或其他資料上找出Re的大至范圍嗎？2．影響對流換熱的主要因素是什么?3．試分析空氣橫掠管束時的強迫對流換熱系數？表8-1實驗原始數據記錄時間：實驗人：同組人：實驗臺號：單位外徑d=(m)長度L=0.1(m)面積A=(㎡)調節參考值最大1101009080706050403020實測值pmm氣流動壓H（=0.2×P）m電壓V（×5倍率）mVU（＝V×0.201）V電流A（×5倍率）mVI（＝A×2）A溫差Mv（×5倍率）mV(＝Mv×23.2)℃來流空氣溫度℃＝(tf1+tf2+tf3)/3試件壁溫（計算）tw℃表8-2實驗工況整理記錄變量名稱單位變量計算最大1101009080706050403020()Kg/m3u()m/s定性溫度tm℃(tm)w/mK(tm)m2/sQwhw/m2KNuReX=lgRey=lg待定常數,,實驗關聯式：平均偏差1--風箱；2--風機；3--有機玻璃風道；1--風箱；2--風機；3--有機玻璃風