主頁 > 技術文章 > 強迫對流單管外放熱系數(shù)測試說明書 2025-07-07

強迫對流單管外放熱系數(shù)測試說明書

一、實驗目的：
1.了解對流放熱的實驗研究方法；
2.測定空氣橫向流過單管表面時的平均放熱系數(shù)α，并將實驗數(shù)據(jù)整理成準則方程式；
3.學習測量風速、溫度、熱量的基本技能。
二、實驗原理：
根據(jù)相似原理，流體受迫外掠物體時的放熱系數(shù)α 與流速、成物體幾何形狀及尺寸、流體物性間的關系可用下列方程式描述：
Nu=ƒ（RegPr）
實驗研究表明，流體橫向單管表面時，一般可將上式整理成下列具體的指數(shù)形式：

式中 c、n、m、均為常數(shù)，由實驗確定，

上述各準則中，d — 實驗管外徑，作定性尺寸[米]
ω — 流體流過實驗管外最窄面處流速；[m/s]
λ — 流體導熱系數(shù)[W/m·℃]
α — 流體導溫系數(shù)[m²/s]
ν — 流體運動粘度[m²/s]
準則角碼“m”表示用流體邊界層平均溫度Tm= 1/2（tw-tƒ）作；定性溫度。
鑒于實驗中流體為空氣，Prm=0.7故準則式可化成：

本實驗的任務在于確定c與n的數(shù)值，首先使空氣流速一定，然后測定有關的數(shù)據(jù)：電流I、電壓V、管壁溫度tw、空氣溫度tf、微壓計動壓頭h。至于α、ω在實驗中無法直接測得,可通過計算求得,而物性參數(shù)可在有關書中查得。得到一組數(shù)據(jù)后，可得一組Re、Nu 值，改變空氣流速，又得到一組數(shù)據(jù)后，再得一組Nu、Re值，改變幾次空氣流速，就可得到一系列的實驗數(shù)據(jù)。
三、實驗設備：
本實驗在一實驗風洞中進行。實驗風洞中主要由風洞本體、風機、構架`實驗管及其加熱器、差壓傳感器、畢托管、電流表、電壓表，巡檢儀以及電子調壓膜塊組成。
風洞本體如圖；

1、集流段； 2、插排前段； 3、實驗段； 4、插排后段； 5、收縮段；6、測速段； 7、畢托管； 8、風門調節(jié)閘門； 9、風機； 10、配電箱； 11實驗臺架；13、微差壓計
由于實驗段有兩段整流，可使進入實驗段前的氣流穩(wěn)定。畢托管置于測速段，測速段截面比實驗段小，以使流速提高，測量準確。風量由風機出口擋板調節(jié)。
實驗風洞中安裝了一根實驗管，管內裝有電加熱器作為熱源，管壁嵌有四對熱電偶以測壁溫。
四、實驗步驟
1.將畢托管與壓差計連接好；檢查連接熱電偶、加熱器及風機線路接是否完好，指導老師檢查確認無誤后，準備啟動風機。
2.在關閉風機風門的條件下啟動風機，讓風機空載啟動，然后根據(jù)需要開啟風機調節(jié)閘門。
3.在數(shù)顯電壓表指針為零時，打開加熱開關，根據(jù)需要調整調壓旋鈕，使其在某一熱負荷下加熱，并保持不變，使壁溫達到穩(wěn)定（壁溫熱電偶電勢在三分鐘內保持讀數(shù)不變，即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)）后，開始記錄巡檢儀上的空氣進出口溫度、及差壓計上的讀數(shù)。在讀取電流、電壓、以上電壓不得超過150V。
4.在一定熱負荷下，通過調整風量來改變Re數(shù)的大小，因此保持調壓膜塊的輸出電壓不變，依次調節(jié)風機出口擋板，在各個不同的的開度下測得其動壓頭，空氣進、出口溫度以及，即為不同風速下，同一負荷時的實驗數(shù)據(jù)。
5.不同熱負荷條件下的實驗，僅需利用調壓膜塊改變電加熱器功率、重復上述實驗步驟既可。
6.實驗完畢后，先切斷實驗管加熱電源，待實驗管冷卻后再停止風機。
五、實驗數(shù)據(jù)的整理計算：
1.壁面平均放熱系數(shù)α
電加熱器所產生的總熱量Q，除以對流方式由管壁傳給空氣外，還有一部分是以輻射方工傳出去的，因此，對流放熱量Qc為

Qr — 輻射換熱量；
ε — 試管表面黑度； ε = 0.6～0.7
Co — 絕對黑體輻射系數(shù)； Co = 5.67
Tω — 管壁面的平均溫度；
Tƒ — 流體的平均溫度；
F — 管表面積；
根據(jù)牛頓公式，壁面平均對流放熱系數(shù)為

2.空氣流速的計算
1)本實臺是采用差壓計測得動壓值讀取數(shù)值

2)若實驗人員用畢托管在測速段截面中心點進行測量，由于實驗風洞測速段分布均勻，因此不必進行截面速度不均勻的修正。
若采用傾斜式微壓計測得的動壓頭為；則由能量方程式：

式中ρ紅 — 微壓計紅油的密度；ρ=0.826×10³g/m³
ρ空 — 空氣的密度,根據(jù)空氣的平均溫度,可在有關書中查得。
H — 動壓頭，用液柱高表示。
由上式計算所得的流速是測速截面外的流速，而準則式中的流速W是指流體流過試驗管最窄截面的流速，由連續(xù)性方程：

式中：F測—測速處流道截面積；[m²]
F測=9500mm²
F試—放試管處流道截面積；[m²]
F試=200×150mm²
L—試驗管有效管長；L=210mm
d — 試驗管外徑； d=32mm
n — 試驗管數(shù)； n=1
W測 — 測速處流體流速；[m/s]
W試 — 試驗管截面處流速；[m/s]
3.確定準則方程式
將數(shù)據(jù)代入，得到準則數(shù)，即可在Num為縱坐標，以Rem為橫坐標的常用對數(shù)坐標圖上，得到一些實驗點，然后用直線連起來，因：
IgNum=Igc＋nIgRem
Igc為直線的截距，n為直線的斜率，取直線上的兩點

即可得出具體的準則方程式Nu=CRⁿe
六、實驗數(shù)據(jù)記錄表

注：最窄流通截面積 F_窄= m² 測量截面積 F_測= m²
試驗管外徑 d mm 試驗管長度 L mm

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