實(shí)驗(yàn)8空氣橫掠單管強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測算空氣橫掠單管時的平均換熱系數(shù)h。2.測算空氣橫掠單管時的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則方程式。3.學(xué)習(xí)對流換熱實(shí)驗(yàn)的測量方法。二、實(shí)驗(yàn)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(jù)牛頓冷卻公式可以測算出平均換熱系數(shù)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(qiáng)迫對流2）.流動的情況：流動方式有兩種；一種為雷諾數(shù)Re<2200的層流，另一種為Re>10000的紊流。Re—雷諾數(shù)，Re，雷諾數(shù)Re的物理定義是在流體運(yùn)動中慣性力對黏滯力比值的無量綱數(shù)。上述公式中，—外管徑（m），—流體在實(shí)驗(yàn)測試段中的流速（m/s），—流體的運(yùn)動粘度（㎡/s）。3）.物體的物理性質(zhì)：Pr—普朗特數(shù)，Pr==cpμ/k其中為熱擴(kuò)散率,v為運(yùn)動粘度,μ為動力粘度；cp為等壓比熱容；k為熱導(dǎo)率；普朗特數(shù)的定義是：運(yùn)動粘度與導(dǎo)溫系數(shù)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(jié)與沸騰4、對流換熱方程的一般表達(dá)方式強(qiáng)制對流：由外力（如：泵、風(fēng)機(jī)、水壓頭）作用所產(chǎn)生的流動強(qiáng)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(chǎn)生的流動。自然對流公式為Nu=f（Gr，Pr）1）.Re=雷諾數(shù)Re的定義是在流體運(yùn)動中慣性力對黏滯力比值的無量綱數(shù)Re=UL/ν。其中U為速度特征尺度，L為長度特征尺度，ν為運(yùn)動學(xué)黏性系數(shù)。2).Pr=定義：流體運(yùn)動學(xué)黏性系數(shù)γ與導(dǎo)溫系數(shù)κ比值的無量綱數(shù)3).Nu=（努謝爾數(shù)）4).Gr=式中a為流體膨脹系數(shù)，v為流體可運(yùn)動系數(shù)。格拉曉夫數(shù)，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(jī)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?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。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，一方面在每個實(shí)驗(yàn)臺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，通過傾斜式微壓計測出實(shí)驗(yàn)段中空氣來流的動壓H，然后計算空氣流速u。為了準(zhǔn)確測定試驗(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點(diǎn)a、b，經(jīng)過分壓箱和轉(zhuǎn)換開關(guān)，用電位差計準(zhǔn)確測定該二電壓測點(diǎn)處的電壓降U。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)電阻時的電壓降△U經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)和電位差計測量，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0.2～0.3mm，故可足夠準(zhǔn)確地認(rèn)為外壁溫度tw等于內(nèi)壁溫度tw′。為使測量系統(tǒng)簡化，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(shí)驗(yàn)時對每一種直徑的管子，空氣流速可調(diào)整10個工況，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)整一個工況，須待工況穩(wěn)定后才能測量有關(guān)數(shù)據(jù)。六、實(shí)驗(yàn)報告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: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：建議用計算機(jī)Excel完成上述實(shí)驗(yàn)曲線。七．實(shí)驗(yàn)注意事項：1靠近窗戶的試驗(yàn)臺，做實(shí)驗(yàn)時，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)臺的轉(zhuǎn)換開關(guān)遠(yuǎn)離電源板及風(fēng)機(jī)箱時，電位差計的測量讀數(shù)穩(wěn)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(shí)驗(yàn)管徑與準(zhǔn)則方程式有什么關(guān)連？對于空氣橫掠單管強(qiáng)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(qiáng)迫對流換熱系數(shù)？表8-1實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄時間：實(shí)驗(yàn)人：同組人：實(shí)驗(yàn)臺號：單位外徑d=(m)長度L=0.1(m)面積A=(㎡)調(diào)節(jié)參考值最大1101009080706050403020實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shù),,實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：平均偏差1--風(fēng)箱；2--風(fēng)機(jī)；3--有機(jī)玻璃風(fēng)道；1--風(fēng)箱；2--風(fēng)機(jī)；3--有機(jī)玻璃風(fēng)