强迫流动单管管外放热系数测定
一、实验目的
1.作为综合性实验,该项实验涉及较多课程知识,测量参数多,如风速、功率、温度以及计算机的基本操作,可考查学生的综合能力。
2.测量空气横向流过单管表面的平均表面传热系数h,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,了解对流放热的实验研究方法。
二、实验原理
根据相似理论,流体受迫外掠物体时的表面传热系数h与流速、物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可用下列准则方程式描述:
Nu f(Re,Pr)
实验研究表明,流体横向单管表面时,一般可将上式整理成下列具体的指数形式;
Num CRenm Prnm
式中:c,n,m均为常数,由实验确定
Num 努谢尔特准则 Num hd
m
Rem 雷诺准则 Rem d m
Prm 普朗特准则
Prm n m
上述各准则中d 实验管外径,作定性尺寸(米)
流体流过实验管外最窄面处流速;(m/s) 流体导热系数(W/m K)
流体导温系数(m2/s)
流体运动粘度(m2/s)
h 表面传热系数(W/m2 K)
准则角码m表示用流体边界层平均温度tm 1(tw tf)作定性温度。 2
签于实验中流体为空气,Prm=0.7,故准则式可化成:
n Num CRem
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,然后测定有关的数据:电流I、电压V、管壁温度tw、空气温度tf微压计动压头H。至于表面传热系数h和流速 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差得。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Nu、Re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、倾斜式微压机、毕托管、电位差计、电流表、电压表以及调压变压器组成。
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,测速段截面教实验段小,以使流速提高,测量准确。风量由风机出口挡板调节。
实验风洞中安装了一根实验管,管内装有电加热器作为热源,管壁嵌有四对热电偶以测壁温。
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、电流表、电压表以及调压变压器线路连接好,指导教师检查确认无误后,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读数不变,即可认为已达到稳定状态)后,开始记录热电势、电流、电压、空气进出口温度及微压计的读数,所以电压不得超过180伏。
4.在一定热负荷下,通过调整风量来改变R,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,同一热负荷时的实验数据。
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能、重复上述实验步骤即可。
6.实验完毕后,先切断实验管加热器电源,待实验管冷却后再关闭风机。
五、实验数据的整理计算
1壁面平均表面传热系数h
电加热器所产生的总热量 ,除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去的,因此对流放热量 c为
c r IV r
T 4 Tf 4 r C0A w 100 100
r 辐射换热量
试管表面黑度
C0 绝对黑体辐射系数
Tw 管壁面的平均绝对温度
Tf 流体的平均温度。
A 管表面积
根据牛顿公式,壁面平均表面传热系数为
h c
(tw tf)A (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。
若采用倾斜式微压测得的动压头为H,则由能量方程式:
Pu2P21 0 而P2 P1 (rm r空)H r空2gr空
u测 2gH( 酒 空)2g(rm r空)2gP2 P1)=H= r空r空 空
式中: 酒 微压计酒精的密度; 0.81 103kg/m3
空 空气的密度,根据空气的
H 动压头,用液压高表示。
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W是指流体流过试验管最截面的流速,由连续性方程:
U测 A测 u试(A试 L d n)
u试
式中:A测 测速
A测 150 80mm2 u测 A测A试 L d n2 m
A试 放试管处流道截面积;m2
A试 450 150mm2
L 试验管有效管长;L 450mm
d 试验管外径; d 40mm
n 试验管数;n 1
u测 测速处流体流速; m/s
u试 试验管截面处流速; m/s
3.确定准则方程式
将数据代入,得到准则数,即可在Num为纵坐标,以Rem为横坐标的
常用对数坐标图上,得到一些实验点,然后用直线连起来,因
lgNum lgC nlgRem
lgC为直线的截距,n为直线的斜率,取直线上的两点
n lgNu2 lgNu1Nu C n lgRe2 lgRe1
即可得出具体的准则方程式Nu CRn
e
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Nn
u CRe图线
4.误差分析。
Re