强迫对流管外放热实验指导书

一、实验目的和要求

1.了解对流放热的实验研究方法；

2.测定空气横向流过单管表面时的平均放热系数α ，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、实验仪器及工作、实验原理

1.实验装置简图

1、集流段；   2、插排前段；   3、实验段；   4、插排后段；   5、收缩段；

6、测速段； 7、毕托管； 8、风门电机； 9、风机； 10、配电箱； 11实验桌；

12、差压传感器；   13、差压传感器

2.工作原理

本实验在一实验风洞中进行。实验风洞中主要由风洞本体、风机、构架`实验管及其加热器、差压传感器、毕托管、电流表、电压表，巡检仪以及电子调压膜块组成。

由于实验段有两段整流，可使进入实验段前的气流稳定。毕托管置于测速段，测速段截面比实验段小，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。

3.实验原理

根据相似原理，流体受迫外掠物体时的放热系数α 与流速、成物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可用下列方程式描述：

Nu=ƒ（RegPr）

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：

式中   c、n、m、均为常数，由实验确定，

上述各准则中，d   — 实验管外径，作定性尺寸[米]

              ω — 流体流过实验管外最窄面处流速；[m/s]

              λ — 流体导热系数[W/m·℃]

              α — 流体导温系数[m²/s]

              ν — 流体运动粘度[m²/s]

准则角码“m”表示用流体边界层平均温度Tm= 1/2（tw-tƒ）作；定性温度。

鉴于实验中流体为空气，Prm=0.7故准则式可化成：

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α、ω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，又得到一组数据后，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。

4.操作步骤

⑴
将毕托管与压差传感器连接好；连接热电偶、加热器及风机线路接好，指导老师检查确认无误后，准备启动风机。

⑵
在关闭风机风门的条件下启动风机，让风机空载启动，然后根据需要开启配电箱上的正转或反转开关；调节出口挡板正转和反转开关只需点动计可。本实验台是由司服电机控制风门开起大小。

⑶
在数显电压表指针为零时，打开加热开关，根据需要调整调压旋钮，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，开始记录巡检仪上的空气进出口温度、及传感器的读数。在读取电流、电压、以上电压不得超过180V。

⑷在一定热负荷下，通过调整风量来改变Re数的大小，因此保持调压膜块的输出电压不变，依次调节风机出口挡板，在各个不同的的开度下测得其动压头，空气进、出口温度以及，即为不同风速下，同一负荷时的实验数据。

⑸
不同热负荷条件下的实验，仅需利用调压膜块改变电加热器功率、重复上述实验步骤既可。

⑹
实验完毕后，先切断实验管加热电源，待实验管冷却后再停止风机。

三、实验记录及计算

1.记录有关常数。
实验装置台号
No.
             

2.编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数、实测数据。

• 壁面平均放热系数α

电加热器所产生的总热量Q，除以对流方式由管壁传给空气外，还有一部分是以辐射方工传出去的，因此，对流放热量Qc为

Qr — 辐射换热量；

ε — 试管表面黑度；          ε = 0.6～0.7

Co — 绝对黑体辐射系数；      Co = 5.67

Tω — 管壁面的平均温度；

Tƒ   — 流体的平均温度；

F   — 管表面积；

根据牛顿公式，壁面平均对流放热系数为

• 空气流速的计算

本实台是采用差压传感器测得动压值直接在巡检仪通道上读取数值

若实验人员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；则由能量方程式：

式中    ρ酒 — 微压计酒精的密度；ρ=0.81×10³g/m³

        ρ空 — 空气的密度,根据空气的平均温度,可在有关书中查得。

H — 动压头，用液柱高表示。

由上式计算所得的流速是测速截面外的流速，而准则式中的流速W是指流体流过试验管最窄截面的流速，由连续性方程：

式中：F测—测速处流道截面积；[m²]

F测=80×76mm²

F试—放试管处流道截面积；[m²]

F试=242×150mm²

      L—试验管有效管长；L=242mm

      d — 试验管外径；      d=20mm

      n — 试验管数；        n=1

W测 — 测速处流体流速；[m/s]

W试 — 试验管截面处流速；[m/s]

• 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：

IgNum=Igc＋nIgRem

Igc为直线的截距，n为直线的斜率，取直线上的两点

即可得出具体的准则方程式Nu=CRⁿe

四、分析与讨论

1.实验原理；

2.实验原始数据,数据整理；

3.做出Nu=CRⁿe图线；

4.误差分析。

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