强迫对流管蔟管外换热系数的测定

强迫对流管蔟管外换热系数的测定一.实验目的1.了解对流换热的实验研究方法；2.测定空气横向流过管蔟表面时的平均放热系数，并将实验数据整理成准则方程式；3.学习测量风速、温度、热量的基本技能。二.实验原理根据相似理论，流体受迫外掠物体时的换热系数α与流体流速、物体几何参数、物体间的相对位置以及流体物性等的关系可用下列准则方程式描述：Nu=f(Re，Pr)实验研究表明，空气横掠管蔟表面时，由于空气普朗特数（Pr=0.7）为常数，故一般可将上式整理成下列的指数形式，Num=CRemn式中：C，n均为常数，由实验确定，Num—努谢尔特准则Num=αD/λmRem—雷诺准则Rem=Wd/γm上式各准则中：α—壁面平均对流换热系数[w/(m2.℃)]；d—实验管外径，作为定性尺寸，[m]；λ—空气的导热系数，w/(m.℃)；W—空气流过实验管外最窄截面出流速，[m/s]；γ—空气运动粘度，[m2/s]。角下标“m”表示以空气边界层平均温度tm=(tw+tf)/2作为定性温度。式中：tw—实验管壁面平均温度[℃]；tf—空气平均温度[℃]。本实验的任务在于确定C与n的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关数据；电流I、电压V、管壁温度tw、空气温度tf、微压计动压头h。至于α、W在实验中无法直接测得，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查得。得到一组数据后，可得一组Re、Nu值；改变空气流速，又得到一组数据，再得一组Re、Nu值；改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。三．实验设备本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、毕托管、电位差计、功率表以及调压变压器等组成。实验风洞如图1所示（温度计、微压计、电位差计、调压变压器等在图中未示出）。由于实验段前有两段整流，可使进入实验段前的气流稳定。毕托管置于测速段，测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。风量由风机出口挡板调节。实验段为一叉排或顺排管蔟段，实验管置于管蔟第三排，管内装有电加热器作为热源，管壁嵌有四对热电偶对测壁温。1-双扭曲线进风口；2-蜂窝器；3-整流金属网；4-第一测试段；5-实验段；6-第二测试段；7-收缩段；8-测速段；9-橡胶连接管；10-风机；11-毕托管图1实验风洞简图四．实验步骤1．将毕托管与微压计连接好、校正零点；连接热电偶与电位差计，再将加热器、功率表以及调压变压器的线路连接好。经指导老师检查确认无误后，准备启动风机。2．在关闭风机出口挡板的条件下启动风机，让风机空载启动，然后根据需要开启出口挡板，调节风量。3．在调压变压器指针位于零位时，合电闸加热实验管，根据需要调整变压器，使其在某一热负荷下加热，并保持不变，使壁温达到稳定（壁温热电偶电势在三分钟内保持不变，即可认为已达到稳定状态）后，开始记录热电势、电功率、空气进出口温度及微压计的读数。电压不得超180V。4．在一定热负荷下，通过调整风量来改变Re数的大小，因此保持调压变压器的输出电压不变，依次调节风机出口挡板，在各个不同的开度下测得其动压头，空气进、出口温度以及电位差计的读数，即为不同风速下，同一负荷时的实验数据。5．不同热负荷条件下的实验，仅需利用调压变压器改变电加热器功率，重复上述实验步骤即可。6．实验完毕后，先切断实验管加热电源，待实验管冷却后再关闭风机。五．实验数据的整理计算1．壁面平均放热系数α电加热器所产生的总热量Q，除了以对流方式由管壁传给空气外，还有一部分是以辐射方式传出，因此，对流换热量Qc为Qc=Q-Qr=W-QrQr=εC0F[(Tw/100)4-(Tf/100)4]式中：Qr—辐射换热量[w]；W—加热电功率[w]；ε—试管表面黑度；ε=0.6～0.7C0—绝对黑体辐射系数；C0=5.67[w/(m2.K4)]Tw—管壁面的平均绝对温度[K]Tf—空气进出口的平均绝对温度[K]F—管表面积[m2]；根据牛顿公式，壁面平均对流换热系数为α=Qc/[(Tw-Tf)F][w/(m2.K)]2．空气流速的计算采用毕托管在测速段截面中心点进行测量，由于实验风洞测速段分布均匀，因此不必进行截面速度不均匀的修正。若采用倾斜式微压计测得的动压头为h，则由能量方程式：P1/r空+u2/(2g)=P2/r空+0而P2-P1=(r水-r空)hU水=[2g(P2-P1)/r空]1/2=[2gh(r水-r空)/r空]1/2=[2gh(ρ水-ρ空)/ρ空]1/2式中：ρ水—微压计水的密度，ρ水=1×103kg/m3ρ空—空气的密度，根据空气的平均温度，可在有关书中查得。h—倾斜式微压计液柱高[m]由上式计算所得的流速是测速截面处的流速，而准则式中的流速是指流体流过试验管最窄截面的流速W，由连续性方程：u测.F测=W(F试-L.d.n)W=u测.F测/(F试-L.d.n)式中：u测—测速处流体流速[m/s]W—试验管最窄截面处流速[m/s]F测—测速处流道截面积[m2]F测=150×80mm2F试—放试管处流道截面积[m2]F试=450×150mm2L—试验管有效管长；L=450mmd—试验管外径；d=38mm(实测)n—试验管数3．计算定性温度tm，并查出空气有关物性参数。4．换热准则方程式将数据代入准则式，并分别求得几组准则数，即可在Num为纵坐标和以Rem为横坐标的常用对数坐标图上，得到一些实验点，然后用直线连接起来，因lgNum=lgC+nlgRemlgC为直线的截距，n为直线的斜率，取直线上的两点，即可得：n=(lgNu2-lgNu1)/(lgRe2-lgRe1)C=Num/Remn即可得出具体的准则方程式Num=CRemn[注意]：为减少取点误差起见，可多取几对点，得出多对C，n值，然后取其平均值作为最后的C，n值。六．实验报告要求1．实验原理；2．实验原始数据，数据整理；3.做出Num=CRemn图线；4.误差分析。