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强迫对流单管外放热系数测试说明书

一、实验目的:
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=?(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:
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图1)
式中   c、n、m、均为常数,由实验确定,
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图2)
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[m?/s]
ν — 流体运动粘度[m?/s]
准则角码“m”表示用流体边界层平均温度Tm= 1/2(tw-t?)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:
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图3) 
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。
三、实验设备:  
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。
风洞本体如图;                                                                                                              
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图4)
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、风门调节闸门; 9、风机; 10、配电箱; 11实验台架;13、微差压计 
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。
四、实验步骤
1.将毕托管与压差计连接好;检查连接热电偶、加热器及风机线路接是否完好,指导老师检查确认无误后,准备启动风机。
2.在关闭风机风门的条件下启动风机,让风机空载启动,然后根据需要开启风机调节闸门。
3.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、及差压计上的读数。在读取电流、电压、以上电压不得超过150V。
4.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。
5.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。
6.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。
五、实验数据的整理计算:
1.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
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图5) 
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;
T?  — 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
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图6)
2.空气流速的计算
1)本实台是采用差压计测得动压值读取数值
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图7)
2)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:
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图8)
式中ρ红 — 微压计红油的密度;ρ=0.826×10?g/m?
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:
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图9)
式中:F测—测速处流道截面积;[m?]
F测=9500mm?
F试—放试管处流道截面积;[m?]
F试=200×150mm?
L—试验管有效管长;L=210mm
d — 试验管外径;    d=32mm
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]
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:
IgNum=Igc+nIgRem
Igc为直线的截距,n为直线的斜率,取直线上的两点
强迫对流单管外放热系数测试说明书(图10)
即可得出具体的准则方程式Nu=CR?e
、实验数据记录表

强迫对流单管外放热系数测试说明书(图11)

注:最窄流通截面积  F=      m2   测量截面积  F=      m2    
试验管外径 d      mm      试验管长度 L      mm         


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