試驗(yàn)8空氣橫掠單管強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)8空氣橫掠單管強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .測(cè)算空氣橫掠單管時(shí)的平均換熱系數(shù)h。2 .測(cè)算空氣橫掠單管時(shí)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則方程式Nu C Ren Pr13。3 .學(xué)習(xí)對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)的測(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1對(duì)流換熱的定義對(duì)流換熱是指在溫差存在時(shí)，流動(dòng)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(jù)牛頓冷卻公式可以測(cè)算出平均換熱系數(shù)h。即：h=- w/m2 K(8-1)A(tw tf) A t式中：Q 一空氣橫掠單管時(shí)總的換熱量，W;A 一空氣橫掠單管時(shí)單管的表面積，m2 ;tw 空氣橫掠單管時(shí)單管壁溫C；tf 空氣橫掠單管時(shí)來流空氣溫度C；t一 壁面溫度與來流空氣溫度平均溫差，C

2、 ；3、影響h的因素1) .對(duì)流的方式： 對(duì)流的方式有兩種；(1)自然對(duì)流(2)強(qiáng)迫對(duì)流2) .流動(dòng)的情況:流動(dòng)方式有兩種；一種為雷諾數(shù)Re<2200的層流，另一種為 Re>10000的紊流。udRe 雷諾數(shù)， Re ， v雷諾數(shù)Re的物理定義是在流體運(yùn)動(dòng)中慣性力對(duì)黏滯力比值的無量綱數(shù)。上述公式中，d外管徑(m), u 流體在實(shí)驗(yàn)測(cè)試段中的流速( m/s), v流 體的運(yùn)動(dòng)度(/Is)。3) .物體的物理性質(zhì)：Pr 普朗特?cái)?shù)，Pr=一= cpIk其中 為熱擴(kuò)散率，v為運(yùn)動(dòng)粘度，科為動(dòng)力粘度；cp為等壓比熱容；k為熱導(dǎo)率； 普朗特?cái)?shù)的定義是：運(yùn)動(dòng)粘度與導(dǎo)溫系數(shù)之比4) .換面的形狀和

3、位置5) .流體集體的改變相變換熱：凝結(jié)與沸騰4、對(duì)流換熱方程的一般表達(dá)方式強(qiáng)制對(duì)流：由外力(如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭)作用所產(chǎn)生的流動(dòng)強(qiáng)迫對(duì)流公式為Nu f(Re,Pr)自然對(duì)流：流體因各部分溫度不同而引起的密度差異所產(chǎn)生的流動(dòng)。自然對(duì)流公式為 Nu=f (Gr, Pr)ul1) .Re=v雷諾數(shù)Re的定義是在流體運(yùn)動(dòng)中慣性力對(duì)黏滯力比值的無量綱數(shù)Re=UL/v 。其中U為速度特征尺度，L為長度特征尺度，Y為運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)。2) .Pr=定義：流體運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)丫與導(dǎo)溫系數(shù)K比值的無量綱數(shù)3) .Nu=怛(努謝爾數(shù))gad3 t4) .Gr= 式中a為流體膨脹系數(shù)，v為流體可運(yùn)動(dòng)系數(shù)。格拉曉夫數(shù)

4、，自然對(duì)流浮力和粘性力之比，控制長度和自然對(duì)流邊界層厚度之比。5、對(duì)流換熱的機(jī)理熱邊界層熱邊界層的定義是：黏性流體流動(dòng)在壁面附近形成的以熱始(或溫度)劇變?yōu)樘卣鞯牧黧w薄層熱邊界層內(nèi)存在較大的溫度梯度，主流區(qū)溫度梯度為零。當(dāng)壁面與流體之間的溫差達(dá)到壁面與來流流體之間的溫差的0.99倍時(shí)，即tw t / t t 0.99,此位置就是邊界層的外邊緣，而該點(diǎn)到壁面之間的距離則是熱 邊界層的厚度，記為Bt(x)6.空氣橫掠單管換熱時(shí)，實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的確定根據(jù)傳熱學(xué)理論，換熱系數(shù)與流速、管徑、溫度、流體物性等有關(guān)，并可用下列準(zhǔn)則方程式關(guān)聯(lián)：Nu f(Re,Pr)(8-2 )空氣橫掠單管換熱時(shí)，實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為：n

5、 _13Nu C Re Pr 1(8-3)在定常性溫度下(tm),普朗特?cái)?shù)Pr可視為常數(shù)，故(3)簡(jiǎn)化為：Nu C Ren(8-4)式中Nu 一 努謝爾數(shù)，NuRe 雷諾數(shù)，RePr 普朗特?cái)?shù)，1 31 3C C Pr C PrC , n -由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù),hdudv(8-5)tm 一定性溫度由下式確定:tw tftm-2C(8-6 )上述公式中，d 外管徑（m）,一流體的導(dǎo)熱系數(shù)（w/m- C） , u 流體在實(shí)驗(yàn)測(cè)試段中的流速（m/s）, v 流體的運(yùn)動(dòng)粘度（itf7.實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算設(shè)y=lgNu , x=lgRe ,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，公式（/s )。8-4）可寫為:根據(jù)最小二乘法原理,

6、igCigc常數(shù)igC及n可按下式計(jì)算:(8-7)i 1Nxii 1xii 1N 2小xii 1(8-8 )NNxi2i 1yi i 1 N 2xi1NNxi yii 1NN x2i 1(8-9)式中：N為實(shí)際工況測(cè)試點(diǎn)數(shù)8.實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算（1）空氣流速u根據(jù)(N=11N= 10)。u=32g 介H 10m/s(8-10)式中：H空g 重力加速度，一微壓計(jì)動(dòng)壓頭m/s（實(shí)測(cè)），（酒精柱高）介一酒精密度介=0.89*10kg/m 3),空一空氣密度（查表），3kg/m（2）單管加熱量QQ=UI單位：W(8-11)（y n x lg C ）的平均偏差。(8-12)式中 U 實(shí)驗(yàn)管端電壓（實(shí)測(cè)）I 一

7、實(shí)驗(yàn)管工作電流（實(shí)測(cè)）9.實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差計(jì)算用均方根誤差可以反映實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（x,y）與關(guān)聯(lián)式代表線N(yX)2N 1其中，N為測(cè)試點(diǎn)數(shù)（N=11或N= 10）。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)如圖 8所示。實(shí)驗(yàn)主體由風(fēng)箱、風(fēng)機(jī)、有機(jī)玻璃風(fēng)道組成。試驗(yàn) 管為薄壁不銹鋼加熱圓管，安裝在有機(jī)玻璃風(fēng)道實(shí)驗(yàn)段中間。采用低電壓大電流的直流電對(duì)試驗(yàn)管直接加熱。 低壓大電流直流電由硅整流電源供給。調(diào)整硅整流電源可改變圓管加熱功率。為使雷諾數(shù) Re有較大的變化范圍，一方面在每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上安裝不同直徑 的單管；另一方面，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口處的調(diào)風(fēng)口來改變空氣的流速。四、測(cè)試方法及實(shí)驗(yàn)步驟在試驗(yàn)管處風(fēng)道中裝有畢脫管，通過傾斜式微

8、壓計(jì)測(cè)出實(shí)驗(yàn)段中空氣來流的動(dòng)壓H,然后計(jì)算空氣流速 uo為了準(zhǔn)確測(cè)定試驗(yàn)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(cè)點(diǎn)a、b,經(jīng)過分壓箱和轉(zhuǎn)換開關(guān)，用電位差計(jì)準(zhǔn)確測(cè)定該二電壓測(cè)點(diǎn)處 的電壓降Uo試驗(yàn)管的加熱回路中串聯(lián)了一標(biāo)準(zhǔn)電阻，電流流過標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)的電壓降 U經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)和電位差計(jì)測(cè)量，然后確定流過試驗(yàn)管的工作電流I。為了確定實(shí)驗(yàn)管壁的溫度 tw,在試驗(yàn)管內(nèi)壁埋設(shè)熱電偶（熱端），由于管壁很薄，僅 0.20.3mm,故可足夠準(zhǔn)確地認(rèn)為外壁溫度tw等于內(nèi)壁溫度tw '。為使測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)化，冷端熱電偶置于空氣流中。既熱端所處溫度為管內(nèi)壁溫度tw',冷端所處為空氣溫

9、度tf, '由電便差計(jì)測(cè)出溫差熱電勢(shì)E （ tw ,tf ）?？諝鉁囟萾f用掛在墻壁上的水銀溫度計(jì)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)每一種直徑的管子，空氣流速可調(diào)整10個(gè)工況，加熱電流可根據(jù)管子直徑及風(fēng)速大小適當(dāng)調(diào)整，保持管壁與空氣間有一定的溫差。每調(diào)整一個(gè)工況，須待工況穩(wěn)定后才能測(cè)量有關(guān)數(shù)據(jù)。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 .完成實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄（表 8-1）。2 .完成實(shí)驗(yàn)工況數(shù)據(jù)處理（表 8-2）。3 .將測(cè)出的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（X1,Y1）（X11,Y11）繪在坐標(biāo)圖上，試說明實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的分布規(guī)律。4 .將實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的代表線：y n x lg C繪在坐標(biāo)圖上，試算出實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與代表線的平均偏差。注：建議用計(jì)算機(jī)Excel完成上述實(shí)

10、驗(yàn)曲線。七.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1靠近窗戶的試驗(yàn)臺(tái)，做實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要把窗簾拉上，光線直射影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2轉(zhuǎn)換開關(guān)不能放在電源板近處，如靠門實(shí)驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)換開關(guān)遠(yuǎn)離電源板及風(fēng)機(jī)箱時(shí)，電位差計(jì)的測(cè)量讀數(shù)穩(wěn)定，指針不擺動(dòng)。3測(cè)量tf空氣溫度時(shí)，用水銀溫度計(jì)放在tf接近處測(cè)量。八、思考題1 .實(shí)驗(yàn)管徑與準(zhǔn)則方程式有什么關(guān)連？對(duì)于空氣橫掠單管強(qiáng)迫對(duì)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(duì)流換熱的主要因素是什么？3 .試分析空氣橫掠管束時(shí)的強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)？表8-1實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄時(shí)間:實(shí)驗(yàn)人：同組人：實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)：?jiǎn)挝煌鈴絛=(m)長度 L= 0.1(m)面積A=( m2)調(diào)節(jié)參考值最大1101009080706050403020實(shí)測(cè)值pmm氣流動(dòng)壓H (= 0.2 XP)m電壓V （x 5倍率）mVU (= VX 0.201 )V電流A （X 5倍率）mVI (=AX2)A溫差Mv （X 5倍率）mVt (= MvX23.2)C來流空氣溫度t fCtf = (tf1 +tf2+tf3)/3試件壁溫（計(jì)算）twc表8-2實(shí)驗(yàn)工況整理記錄變量名稱單位變量 計(jì)算最大1101009080706050403020空（tf ）Kg/m 3u (f)m/s定性溫度tmc(t m)w/m K(tm)m2/sPr(tm)Pr(tm)Qwhw/m2KNuReX=lgR