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1、实验3空气横掠圆管强制对流传热实验I实验目的1 .了解对流传热的实验研究方法；2 .学习测量风速、温度、热量的基本技能；3 .测定空气横向流过圆管表面的平均表面传热系数入，并将实验结果整理成准则方程式。实验原理对于强制对流，流体外掠物体表面时表面传热系数人与流体的流速、物体几何参数、物体的相对位置以及流体物性等因素有关，其关系可用下列准则方程式描述Nu=f(Re,Pr)(3-1)实验中，空气的普朗特数Pr变化不大，可看成是常数(Pr0.7),故准则方程可表示成下列指数形式(3-2)Nu=CRen式中C准则方程式系数；n准则方程式指数。准则方程式中涉及准则数：努塞尔数Nu和雷诺数Re(3-3)Z
2、hdNU=其中h一一圆管壁面平均表面传热系数，W(m2.K)；d圆管外径，作为特征尺寸，m；空气导热系数，W(m)o(3-4)Re=也V其中一一空气流过实验管外侧最窄截面处的流速，m/s；V空气运动粘度，m2so注意：空气物性参数应由空气的定性温度CH来确定式中口一一圆管壁面平均温度，C；tf-空气平均温度，C。本实验通过测定空气横掠圆管外表面时的N数、Ke数，作出Ke的关系曲线，从而确定准则方程中的C、值。为保证实验的准确性，需在较大范围内改变Re数。实验中采用改变空气流速的方法，来得到不同的Re数。实验的关键为表面传热系数人及空气流速的测量。（一）圆管外表面传热系数h的测量实验圆管为铜管，
3、内部由电加热器产生热量。管壁除了以对流的方式将热量传给空气外，同时还会以辐射的方式向空气传热。因此，对流传热量QC为Qc=Q-Qr=W-Qr（3-6）式中Qr辐射传热量，W：W加热电功率，Wo管壁向空气的辐射传热量为式中圆管表面发射率，e=0.60.7:C0一一黑体辐射系数，C0=5.67W（m2K4）;Tw圆管壁面平均温度，K：Tf空气进口温度，K；A一一圆管外表面面积，A=L,m2；d圆管外径，m；L一一圆管实验段管长，m“由牛顿冷却公式，圆管壁面平均表面传热系数力为QcQc(zhtf加限一。)(3-8)因此，通过实验测量圆管加热器电功率w、管壁平均温度O、空气进口温度T/、圆管外径d、圆
4、管实验段长度L,从而可得到圆管壁面平均表面传热系数力，进而可得到努塞尔数NUo（二）空气流速的测量实验采用皮托管测量空气的流速。皮托管设置在风洞的测速段，而不是在圆管试验段外侧最窄处（见图3-1）,故需将皮托管测量的测速段风速，转变为试验段风速。对于测速段，采用倾斜式微压计测得动压头H,由伯努利方程得+=+0（3-9）PS2gPgP-P=（PW-P）gH（3-10）式中p测速段空气静压（负压），Pa；p测速段空气总压，Pa：U9测速段空气流速，ns；p空气密度，kgm3：pw-微压计中纯净水密度（最好用酒精），kgm3；H微压计测得的动压头（微压计液柱高度），m：g重力加速度，ms2测速段空气
5、流速为(3-11)u=2（p-p）=2gHS*-p）对实验段，圆管外侧最窄截面处的风速应满足连续性方程(3-12)u,S,=u(S-NdL)式中S一测速段风道的截面积，m2；S一一实验段风道的截面积，m2；N实验圆管数。(3-13)实验段空气流速为S-NdL故实验中通过测量微压计动压头H、测速段风道截面积S,、实验段风道截面积S、实验圆管数N,计算可得到实验段风速”，进而可得到雷诺数Re。实验装置强制对流传热实验台如图3-1所示，其主体为实验风洞。图3-1实验风洞示意图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.橡皮连接管10.风机1
6、1.皮托管12.微压计13、14,温度计15.温度显示16.加热周节17.加热罂工作开关18.加热功率显示19.总电源开关实验风洞主要由风洞主体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、皮托管、热工仪表、功率表以及调压变压器组成。实验段前风道有两段整流，可以使进入实验段前的气流稳定。皮托管置于测速段，因测速段比起实验段截面积小得多，可使风速提高，测量准确。风量及风速由风机出口处的挡板调节。实验段为叉排或顺排管束，实验段置于管束第三排，管内装有电加热器作为热源，管壁嵌有四对热电偶测量壁温。实验内容（一）仪器调整1 .把皮托管与微压计连接好，注意a与A、b与B相连，不要将连接软管打
7、折。皮托管尽量与风道轴线垂直，并使皮托管动压口位于风道中心，且正对风道轴线。调整微压计水平，校正其零点。2 .将热电偶、加热器与热工仪表电器箱的连线接好，经指导教师检查无误后，准备启动风机。3 .在关闭风机出口挡板的前提下启动风机，让风机空载启动，然后根据需要开启风机出口挡板，调节空气流量。4 .调节变压器指针零点，在电压为零时接通电源，加热实验圆管。根据需要调节变压器（电压不得超过180V）,使其在某一热负荷下加热，并保持不变。开始时，将风机出口挡板开到最大，可加快系统的稳定过程。待圆管壁面温度达到稳定（在三分钟内不变），开始记录圆管壁温口、电功率W、空气进口温度O、微压计读数”。5 .在上
8、述热负荷下，通过调节风量来改变Ke数的大小。为此，保持调压器的输出电压不变，依次调小风机出口挡板，在各个不同开度下进行测量，即为不同风速下同一热负荷时的实验数据。6 .不同热负荷条件下的实验，仅需调节变压器改变电加热功率，重复上述步骤即可。7 .实验完毕后，先切断实验管加热电源，待5分钟后再关闭风机电源。（二）测量数据1 .试验台主要参数实验圆管外径d：38mm（可实测）实验圆管工作段长度L：45Omm（可实测）实验圆管表面发射率：0.65测速段风道截面积S：150180mm2实验段风道截面积S：150180mm2试件最高加热电压：180V实验圆管数N：2 .实验数据记录表3-1某一加热负荷时
9、试验数据记录风机出口挡板开度6/65/64/63/62/61/6W(W)H(m)tf(0C)J()()1.()注意事项1 .严禁在没有开启风机的情况下，接通加热器电源。2 .实验圆管加热电压不得超过180V。3 .皮托管的管口需正对来流风速，其连接管不要打折。4 .实验结束时，先断加热器电源，等实验圆管冷却后再切断风机电源。数据处理1.物性参数的计算实验圆管平均壁温：t_IWl+*+兀3+w4(OC)式中41、42、EW3、44一一圆管不同位置的壁温，o定性温度:t+1fm=L()m2式中O空气进口温度，oCo由定性温度乙查表可得空气的密度/、导热系数4、运动粘度”以及水的密度Pw。(3-16
10、)式中圆管表面发射率，=0.65；C0黑体辐射系数，C0=5.67W(m2 K4);d圆管外径，m ： L一一圆管实验段管长，m；Tw圆管壁面平均温度，K：Tf空气进口温度，Ko对流传热量：Qe=-Qr式中W加热功率，Wo 圆管壁面平均表面传热系数：/1 =禺努塞尔数：Z hdNu =(3-17)(3-18)(3-19)(3-20)(3-21)(3-22)(3-23)IgN为纵坐(3-24)(3-25)式中Jl一一空气导热系数，W（m）3.雷诺数Ke的计算测速段空气流速：tf,j2gEF式中“一一微压计测得的动压头（微压计液柱高度），m；pw微压计中纯净水密度（最好用酒精），kgm3；p空气密
11、度，kgm3o实验段空气流速：IlSIl=S-NdL式中S一测速段风道的截面积，Hl2;S实验段风道的截面积，m2;N一一实验圆管数。雷诺数：CUdRe=V式中，一一空气运动粘度，m2so4.准则方程式中C、的确定对准则方程式N=CKe，等式两侧取对数得：lg2Vw=IgC+/HgRe将实验得到的几组N、Re值取对数，将结果以IgKe为横坐标、标描绘在坐标纸上，作出最佳直线，即为IgN-IgKe关系曲线。上述直线的截距为IgC,斜率为。在最佳直线上取两点，可得XgRe2-XgRexCNllC=Ren由此，可得到具体的准则方程式Nu=CRe(3-26)问题思考1 .以实验为例，说明相似理论在对流传热实验研究中的应用。2 .实验中Re的范围是多少？流体处于层流还是湍流？实验结果与理论值相差有多大？3 .试分析实验管端部散热损失带来的影响，并设计一种减小热损失的方案。
