對流換熱系數(shù)的的測定方法

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上對流換熱系數(shù)測定方法 姓 名：喬 邁 指導(dǎo)教師：羅 翔 學(xué) 號：SY對流換熱系數(shù)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(gòu)成一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的換熱體系。在這個(gè)非穩(wěn)態(tài)換熱體系中，包含著兩個(gè)傳熱環(huán)節(jié)：一個(gè)是物體內(nèi)部的導(dǎo)熱；另一個(gè)是流體于物體邊界的對流換熱。其中影響對流換熱的關(guān)鍵參數(shù)就是對流換熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)是求解伴有表面對流換熱的熱傳導(dǎo)問題的重要參數(shù)之一。直接測定對流換熱系數(shù)的方法分為穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法對實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻,實(shí)驗(yàn)周期長，誤差大。瞬態(tài)法由于實(shí)驗(yàn)周期短，誤差小，近年來被廣泛運(yùn)用于對流換熱系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)，通常所說的瞬態(tài)法是通

2、過瞬時(shí)提高來流溫度或者壁面溫度來達(dá)到溫度階躍，測量窄幅熱色液晶顯色時(shí)間，通過求解一維半無限大平板非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程得到測量表面的對流換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中要達(dá)到溫度的階躍通常不容易實(shí)現(xiàn)，只能是近似階躍，需要進(jìn)行逐級階躍或者指數(shù)函數(shù)進(jìn)行修正。這種處理方式可以近似解決入口溫度非階躍響應(yīng)問題。但是如果實(shí)驗(yàn)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(shí)間的變換曲線，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大的誤差。為了解決上述問題，本文總結(jié)提出了一種測定對流換熱系數(shù)的新方法，此方法是以傳熱學(xué)中非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱求解法中的數(shù)學(xué)分析法集總參數(shù)分析法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的特定環(huán)境下的對流換熱系數(shù)測定方法，本文全面分析了各因素對對流換熱系數(shù)精度

3、的影響并進(jìn)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(dǎo)熱對流和熱輻射一般情況下并不是獨(dú)立存在的，熱傳導(dǎo)時(shí)常伴有表面對流換熱。本文研究的是零件內(nèi)非等溫場及其變形的研究的一部分內(nèi)容，其中的熱傳遞現(xiàn)象是導(dǎo)熱對流系統(tǒng)，為了確定零件內(nèi)的非等溫場，表面對流換熱系數(shù)h是必需的參數(shù)之一，本文采用了實(shí)驗(yàn)法以求得此參數(shù)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)法是以確定準(zhǔn)則方程式的函數(shù)關(guān)系為主要內(nèi)容，若采用傳統(tǒng)的方法就顯得過于復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)了這種以集總參數(shù)分析法為基礎(chǔ)的對流換熱系數(shù)的測定方法即把導(dǎo)熱體看成集總體，使得導(dǎo)熱體的溫度T只是時(shí)間t的函數(shù)，對特定環(huán)境條件下對流換熱系數(shù)的獲得提供了一種方便有效的方法二、實(shí)驗(yàn)的理論分析

4、2.1對流換熱系數(shù)分析由牛頓冷卻公式和傅里葉導(dǎo)熱定律可知對流換熱系數(shù)為:其中，為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，為導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，溫度差和貼壁流流體的溫度梯度更準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)流體是空氣其溫度壓力和速度均為定值因此雷諾數(shù)Re，普朗特?cái)?shù)Pr均為常量其努謝爾特?cái)?shù)為：其中L為導(dǎo)熱體的特征尺寸c ，n， m均為可確定的常數(shù)，則:Const由以上分析可知對流換熱系數(shù)在本實(shí)驗(yàn)中為定值可以用集總參數(shù)分析法進(jìn)行求解。2.2集總參數(shù)分析法非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中當(dāng)導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱熱阻(為導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù))遠(yuǎn)小

5、于導(dǎo)熱體與流體間的對流熱阻時(shí)，在同一瞬間導(dǎo)熱體內(nèi)各點(diǎn)的溫度相差不大，因此可把全部物質(zhì)看作一個(gè)處于平均溫度下的集總體，亦即集總參數(shù)系統(tǒng)來分析。該分析法通常稱為集總參數(shù)分析法(Lumped Parameter Analysis)。此時(shí)溫度T僅為時(shí)間t的函數(shù)即T=f(t)。應(yīng)該注意只有當(dāng)代表導(dǎo)熱熱阻和對流熱阻之比的畢渥數(shù)時(shí)導(dǎo)熱體才可看作集總體。假設(shè)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱體面積，為導(dǎo)熱體密度，V為導(dǎo)熱體體積Cp為導(dǎo)熱體比熱，引入過余溫度，則，代入上式得：此式代表了導(dǎo)熱體溫度與時(shí)間的關(guān)系，假

6、設(shè)V、A、h、cp均為已知的定值，自t =0時(shí)的至t=t時(shí)的，對上式進(jìn)行積分得：即： （1）三、實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程本實(shí)驗(yàn)測定一個(gè)邊長為20.1 mm的純銅制正方體試件的溫度隨時(shí)間的變化，試件的五個(gè)面絕熱一個(gè)面直接接觸流體。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。該實(shí)驗(yàn)的測量過程如下：將恒溫箱的溫度設(shè)置在20并使其保溫3s以保持箱內(nèi)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(dāng)其達(dá)到50時(shí)開始計(jì)時(shí)，每隔1記下時(shí)間，直到其達(dá)到24時(shí)結(jié)束?？紤]到對流換熱系數(shù)與壁面的位置有關(guān)實(shí)驗(yàn)中選取了4個(gè)不同的位置進(jìn)行測量。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果由式(1)可得整個(gè)測量過程中的對流

7、換熱系數(shù)見表1，20.01時(shí)測量間隔為1所得各表面對流換熱系數(shù)見圖2根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果即符合集總參數(shù)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(xiàng)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(tài)下的流體溫度均用測溫傳感器進(jìn)行測量，多次測量表明驗(yàn)位置的溫度波動幅度為±0.1此項(xiàng)誤差為其最大值不超過±0.66。3、計(jì)時(shí)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(shù)的影響，對參數(shù)的恒定值，假設(shè)熱輻射以及隔熱不完全引起的誤差均可忽略不計(jì)，對所有誤差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理所得對流換熱系數(shù)相對誤差在1.21.6%之間。 上述實(shí)驗(yàn)裝置測量的是自然對流換熱系數(shù)，對裝置進(jìn)行改裝后，如加上進(jìn)出口裝置，就可以測量強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)。五、結(jié)論1、本方法的測量對象應(yīng)滿足Bi<0.1；2、本文所采用的方法測得的對流換熱系數(shù)可控制在1.21.6%之間，該方法為測定特定環(huán)境條件下的對流換熱系數(shù)提供了簡便可靠有效的方法。瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方案的特點(diǎn)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(shù)據(jù)，避免了冗長的等待時(shí)間，由于試驗(yàn)周期短，有時(shí)熱損失的處理也較為簡單。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不需達(dá)到熱平衡狀態(tài)，所以在實(shí)驗(yàn)設(shè)備中也就省略了穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)設(shè)備中的冷卻裝置，使設(shè)備的結(jié)構(gòu)得到了簡化。另外，對實(shí)驗(yàn)材料的耐溫要求也降低了，試件不必長時(shí)間的承受高溫，因此給高氣溫實(shí)驗(yàn)也帶來了方便。對于瞬態(tài)試驗(yàn)，人們關(guān)心的是溫度的測量，而不像穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)?zāi)菢?，即關(guān)心溫度的測量又關(guān)心熱流密度的測量。由于溫度的測量都是瞬態(tài)的冊來那個(gè)，因此對測