新疆大学：《传热学》课程教学资源（实验指导）实验3 空气横掠圆管强制对流传热实验

实验3空气横掠圆管强制对流传热实验 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h,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山与流体的流速、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(P≈0.7)，故准则方程可表 示成下列指数形式 Nu=C Re" (3-2) 式中C一一准则方程式系数： 一一准则方程式指数。 准则方程式中涉及准则数：努塞尔数Nu和雷诺数Re Nu=hd (3-3) 其中h一一圆管壁面平均表面传热系数，Wm2.K): d一一圆管外径，作为特征尺寸，m: 一一空气导热系数，W/mK)。 Re=ud (3-4) 其中一一空气流过实验管外侧最窄截面处的流速，m/s: V一一空气运动粘度，m2/s。 注意：空气物性参数应由空气的定性温度1，来确定

实验 3 空气横掠圆管强制对流传热实验 [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 h ，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 h 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（ Pr  0.7 ），故准则方程可表 示成下列指数形式 n Nu = C Re （3-2） 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  hd Nu = （3-3） 其中 h——圆管壁面平均表面传热系数， W (m K) 2  ； d ——圆管外径，作为特征尺寸， m ；  ——空气导热系数， W (mK)。  ud Re = （3-4） 其中 u——空气流过实验管外侧最窄截面处的流速， m s ；  ——空气运动粘度， m s 2 。 注意：空气物性参数应由空气的定性温度 m t 来确定

(3-5) 2 式中t一一圆管壁面平均温度，·C: t,一一空气平均温度，·C。 本实验通过测定空气横掠圆管外表面时的Nu数、Re数，作出Nu-Re的关系曲 线，从而确定准则方程中的C、n值。 为保证实验的准确性，需在较大范围内改变R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h及空气流速u的测量。 (一)圆管外表面传热系数h的测量 实验圆管为铜管，内部由电加热器产生热量Q。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Q。为 2.=Q-2,=W-2, (3-6) 式中2，一一辐射传热量，W: W一一加热电功率，W。 管壁向空气的辐射传热量为 ex-j] (3-7) 式中6一一圆管表面发射率，8=0.6~0.7： C一一黑体辐射系数，C。=5.67W/m2.K)月 T。一一圆管壁面平均温度，K: T,一一空气进口温度，K: A一圆管外表面面积，A=πL,m2: d一一圆管外径，m:

2 w f m t t t + = （3-5） 式中 w t ——圆管壁面平均温度， C o ； f t ——空气平均温度， C o 。 本实验通过测定空气横掠圆管外表面时的 Nu 数、 Re 数，作出 Nu- Re 的关系曲 线，从而确定准则方程中的 C 、 n 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 h 及空气流速 u 的测量。 (一)圆管外表面传热系数 h 的测量 实验圆管为铜管，内部由电加热器产生热量 Q 。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， W。 管壁向空气的辐射传热量为                  −      = 4 4 0 100 100 w f r T T Q C A （3-7） 式中  ——圆管表面发射率，  = 0.6 ~ 0.7 ； C0 ——黑体辐射系数， ( ) 2 4 C0 = 5.67W m  K ； Tw ——圆管壁面平均温度， K ； Tf ——空气进口温度， K ； A ——圆管外表面面积， A = dL， 2 m ； 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h为 h=衣.-4)a或.-4 (3-8) 因此，通过实验测量圆管加热器电功率W、管壁平均温度工。、空气进口温度T,、 圆管外径d、圆管实验段长度L,从而可得到圆管壁面平均表面传热系数h,进而可得 到努塞尔数Nu。 (二)空气流速u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'，转变为试验段风速山。 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 卫+0 (3-9) P2g pg p-p'=(p.-p)gH (3-10) 式中p'一一测速段空气静压（负压），Pa: p一一测速段空气总压，P: W'一一测速段空气流速，ms p一一空气密度，kg/m3: P。一一微压计中纯净水密度（最好用酒精），kg/m3； H一一微压计测得的动压头（微压计液柱高度），m: 8一重力加速度，m/s2。 测速段空气流速为 p (3-11) 对实验段，圆管外侧最窄截面处的风速应满足连续性方程

L ——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 h 为 ( ) ( ) w f c w f c dL t t Q A t t Q h − = − =  （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 Tw 、空气进口温度 Tf 、 圆管外径 d 、圆管实验段长度 L ，从而可得到圆管壁面平均表面传热系数 h ，进而可得 到努塞尔数 Nu。 (二)空气流速 u 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 u  ，转变为试验段风速 u。 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 2 2 = +  +  g p g u g p   （3-9） p − p  = ( w − )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 ； u  ——测速段空气流速， m s ；  ——空气密度， 3 kg m ；  w ——微压计中纯净水密度（最好用酒精）， 3 kg m ； H ——微压计测得的动压头（微压计液柱高度）， m ； g ——重力加速度， 2 m s 。 测速段空气流速为 ( ) ( )     − = −   = p p gH w u 2 2 （3-11） 对实验段，圆管外侧最窄截面处的风速 u 应满足连续性方程

u'S'=u(S-NdL) (3-12) 式中S'一一测速段风道的截面积，m2: S- -实验段风道的截面积，m2: 一实验圆管数。 实验段空气流速为 's' M= (3-13) 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u,进而可得到雷诺数R。 [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。 313 14 11910 1516171819 h ▣y 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.皮连接管10.风机1山.皮托管12.微压计13、14.温度计15.温度显示 16.加热调节17.加热器工作开关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

u S = u(S − NdL) （3-12） 式中 S——测速段风道的截面积， 2 m ； S ——实验段风道的截面积， 2 m ； N ——实验圆管数。 实验段空气流速为 S NdL u S u −   = （3-13） 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 u ，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 11.皮托管 12.微压计 13、14.温度计 15.温度显示 16.加热调节 17.加热器工作开关 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， A 4 5 6 8 12 B 11 9 10 a b 14 7 15 16 17 18 19 1 2 3 13

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1、电功率W、空气进口温度t,、微压计读数H。 5.在上述热负荷下，通过调节风量来改变R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 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：450mm(可实测》 实验圆管表面发射率6：0.65 测速段风道截面积S':150×180mm2 实哈段风道载面积：150×180m 试件最高加热电压：≤180W 实验圆管数N: 2.实验数据记录

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 w t 、电功率 W 、空气进口温度 f t 、微压计读数 H 。 5.在上述热负荷下，通过调节风量来改变 Re 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 ：450mm （可实测） 实验圆管表面发射率  ：0.65 测速段风道截面积 S： 2 150180mm 实验段风道截面积 S ： 2 150180mm 试件最高加热电压：  180V 实验圆管数 N ： 2.实验数据记录