水平圆管外表面空气自然对流换热实验指导书[201211版]

实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定)空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定实验一、实验目的及要求1．目的（1）学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法。

（2）测定空气沿横置圆管表面自然对流时的平均换热系数α。

（3）将实验数据整理成准则方程，从而掌握空气沿横置圆管表面自然对流换热的规律。

2．要求（1）充分理解实验原理。

（2）必须懂得在实验中应记录哪些量。

（3）能独立地将测量数据整理成准则方程，正确区分实验法确定换热系数的两种方法的优、缺点以及适用范围，从而巩固课堂上学过的知识。

二、实验原理影响自然对流的换热系数α的五大因素有：1．由流体冷、热各部分的密度差产生的浮升力；2．流体流动的状态；3．流体的热物性； 4．换热壁面的热状态； 5．换热壁面的几何因素；依据相似理论，它们之间的关系包含在准则方程,,f f f f w Pr Nu f Gr Pr Pr ⎡⎤⎛⎫=⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦ 之中。

由于本实验中介质为空气，其物性随温度的变化较小，空气的Pr 值随温度的变化不大，Pr ≈0.72，故相应的准则方程可简化为：Nu f = f (Gr f )对流换热问题的准则函数形式，通常采取指数函数的形式表示：Nu f = c Gr f n式中：Nu f ——努谢尔特准则Nu f =αD λGr f ——葛拉晓夫准则 Gr f =β·g·Δt·D 3ν2系数c ，上标n —— 均为需通过实验来确定的常数。

上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为： α —— 对流换热系数 W /（m 2·Κ） D —— 实验单管外径 mλ——空气的导热系数W/（m·Κ）β——介质的膨胀系数K-1g ——重力加速度m / s2Δt——介质和管壁表面之间的温差Kν——运动粘性系数m2/ s下标f——表示各准则以流体介质在物体边界层以外处的温度t f为定性温度。

对流给热系数测定实验报告实验名称:对流换热系数的测量实验一、实验目的1.测量圆形水平直管外的水蒸气凝结换热系数α0和圆形水平直管内冷流体（空气或水）的强制对流换热系数αi2.观察水蒸汽在圆直水平管外壁上的冷凝状况。

3掌握热电阻测温方法。

4掌握计算机自动控制和流量调节的方法。

5了解涡轮流量传感器和智能流量积算仪的工作原理和使用方法。

6了解电动调节阀压力传感器和变频器的工作原理和使用方法。

7掌握化工原理实验软件库的使用。

二、实验装置流程图及实验流程简述2途经阀○6、阀○7由蒸汽分布管进入套管换热器的环隙通道，冷凝水蒸汽自蒸汽发生器○9.阀门○ 8号污水排入沟渠。

水从阀门流出○4或电动调节阀○5、12控制的旋涡气泵产生的空气依次经过阀○冷流体水或来自由变频器○13.10进入套管式热交换器、涡轮流量计的内管○ 水或空气流量调节阀○ 加热后排入下水道或通风口。

三、简述实验操作步骤及安全注意事项空气-蒸汽系统1.开启电源。

依次打开控制面板上的总电源、仪表电源。

1.调整手动调节阀○ 10以最大化空气量。

2.启动涡流空气泵○9、阀○8，排除套管环隙中积存的冷凝水，然后适当关小3.排蒸汽管道的冷凝水。

打开阀○8.注意阀门○ 8不能开得太大，否则会有严重的蒸汽泄漏。

阀门○6，蒸汽从蒸汽发生器○2沿保温管路流至阀○7；慢慢打开阀○7，4.调节蒸汽压力。

打开阀○蒸汽开始流入套管环空，并加热内管的外表面。

控制蒸汽压力稳定在0.02MPa，不超过0.05mpa，否则蒸汽不够用。

5.测量不同流量下的相应温度。

当巡检仪在控制面板上显示的11个温度、压力数据和智能流量积算仪显示的空气流量稳定时，记录所有温度、压力6，分别取最大空气流量的1/2及1/3，分别记录下相应流量下的流量数据。

然后再调节阀○稳定的温度和压力数据，使共有3个实验点。

7和阀门○ 6、关闭仪器电源和主电源。

6.实验结束后，关闭蒸汽阀○水~水蒸汽系统操作步骤和方法与空气-蒸汽系统基本相同，只是冷流体由空气变为冷水，并且仍然选择了三个实验点。

湖南大学实验报告一、实验目的1. 测定单根横管对周围空气自然对流时的表面传热系数；2. 用多个工况的实验数据整理成大空间自然对流的实验关联式；3. 加深对自然对流换热规律的理解。

二、实验原理被加热的水平横管，其表面壁温为w t ，周围环境空气温度为f t 。

当w t ＞f t 时，横管附近空气由于受到横管的直接加热，导致温度升高，密度变小，又因为密度的不均匀而引起浮升力，使得横管周围的空气开始沿横管表面向上运动，而周围的空气又补充到横管周围，如此循环，形成自然对流换热。

动力设备、蒸汽管道等周围都存在类似的对流换热。

根据牛顿公式，在稳定状态下，加热横管表面由于对流换热而散失的热量CQ 可由下式计算：)(f w C t t hA Q -= W （1） 式中：h ——壁面平均换热系数，W/（m 2·K ）； A ——横管有效换热面积，m 2； w t ——横管壁面平均温度，℃；f t ——空气主流温度，℃。

如果考虑横管表面对空间辐射的影响，还有一部分热量由管壁以辐射方式向外散热，散热量可由下式计算：])100()100[(44f w R T TA Q -⋅⋅=δε W （2）式中：ε——管子表面黑度，ε＝0.1（根据横管表面黑度确定，软件可自己设定）；δ——黑体辐射常数，δ＝5.67 W/（m 2·K 4）;A ——管子表面积，m 2； w T ——管子壁面平均温度，K ；f T ——空气温度，K 。

根据式（1）和式（2），当达到稳定状态时，横管传给空气总的热量，在忽略管子端部散热的前提下，应等于管子内部电加热器所产生的热量Q ，而R C Q Q Q +=，因此若测得壁温w t 和空气温度ft ，那么对流换热系数h ，可由下式求得：)( —f w Rt t A Q Q h -=W/(m 2.K) （3）根据相似理论，自然对流的准则方程可整理成：n r r u P G C N )(⋅= （4）式中：Nu ——努塞尔数，Nu=h·D / λ；Gr ——葛拉晓夫数，Gr=g βD 3 (t w －t f ) /υ2； Pr ——普朗特数，对于空气，见附录空气参数表；λ——流体导热系数，W/(m·K)；D ——横管直径，m ；β——流体的体积膨胀系数，理想气体β=1 / t m -1K ； υ——流体运动粘度，m 2/s ； △t ——壁面与空气的温差，℃。

自然对流换热实验报告一、实验目的（1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。

（2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。

（3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出Pr Gr 的范围。

二、实验原理对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。

即r h c Φ-Φ=Φ （W ）式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛---=4f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UIh ε[]）（K /W ∙m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，）（420K m /W 67.5∙=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2∙m 。

当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。

根据相似理论，自然对流换热的准则为Pr),(Gr f Nr =在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即n Gr c Nr Pr)(=式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。

为了确定上述关系式的具体形式，根据测量数据计算结果求得努塞尔准则Nu 、格拉晓夫准则Gr 和普朗特准则Pr ，即λhDNu =； 23υβtD g Gr ∆=； a υ=Pr式中：Pr 、β（空气的体胀系数，1/K ）、υ（空气的运动黏度，m 2/s ）等、λ（空气的导热系数，℃）（∙m /W ）等物性参数由定性温度）（2fw t t +从气体的热物理性质表查取；2/8.9s m g =；D 为圆管壁面定型尺寸，m ；f w t t t -=∆，℃。

空⽓沿横管表⾯⾃由运动放热空⽓沿横管表⾯⾃由运动放热实验指导书⼀、实验⽬的和要求：1. 了解空⽓沿管表⾯⾃由放热的实验⽅法，巩固课堂上学过的知识；2. 测定单管的⾃由运动放热系数α；3. 根据对⾃由运动放热的相似分析，整理出准则⽅程式。

⼆、实验原理:对铜管进⾏电加热，热量应是以对流和辐射两种⽅式来散发的，所以对换热量为总热量与辐射热量之差，即：Q = Q c +Q r Q c =αF （t ω- t f ）α=??----44f 0f )100()100()()(f T T t t c t t F IV ωωωε Q r —辐射换热量；Q c —对流换热量；ε—使馆表⾯⿊度；c 0—⿊体的辐射系数；t ω—管壁平均温度；t f —室内空⽓温度；α—⾃由运动放热系数；根据相似理论，对于⾃由对流放热，努谢尔特数Nu 是葛拉晓夫数Gr 、普朗特数pr 的函数即：Nu=f （Gr ·pr ）可表⽰成 Nu=c （Pr ·Gr ）n其中c 、n 是通过这个实验所确定的常数。

为了确定上述关系式的具体形式，根据所测数据计算结果求得准则数：Nu=λαd Gr=33t g νβd ? Pr 、β、λ、ν物性参数有定性温度从教科书中查出。

改变加热量，可求得⼀组准则数，把⼏组数据标在对数坐标纸上得到以Nu 为纵坐标，以Gr 、Pr 为横坐标的⼀系列点，画⼀条直线，使⼤多数点落在这条直线上或周围，根据：lgNu=lgc+nlg(Gr ·Pr)这条直线的斜率即为n,，截距为c o三、实验装置及测量仪表：实验装置有试验管(四种类型)，测量仪表有电位差计，TDGC 型接触式调压器、稳压器、电流表、电压表。

试验管上有热电偶嵌⼊管壁，可反映出管壁的热电势，电位差计⽤于测量室内和管壁的电热势：稳压管可稳定输⼊电压，使加⼊管的热量保持⼀定；电压、电流表测定电加热器的电压和的电流。

四、实验步骤1.按电路图接好线路，经指导⽼师检查后接通电流；2.调整调压器，对试验管加热；3.稳定六⼩时后，开始测管壁温度，记下数据；4.间隔半⼩时再记⼀次，直到两组数据接近为⽌；5.取两组接近的数据取平均值，作为计算数据；6.记下半导体温度计指⽰的空⽓温度或⽤玻璃温度计；7.经指导教师同意，将调压器调整回零位，切断电源。

自然对流换热实验报告一、实验目的（1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。

（2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。

（3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出Pr Gr 的范围。

二、实验原理对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。

即r h c Φ-Φ=Φ （W ）式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛---=4f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UIh ε[]）（K /W ∙m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，）（420K m /W 67.5∙=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2∙m 。

当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。

根据相似理论，自然对流换热的准则为Pr),(Gr f Nr =在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即n Gr c Nr Pr)(=式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。

为了确定上述关系式的具体形式，根据测量数据计算结果求得努塞尔准则Nu 、格拉晓夫准则Gr 和普朗特准则Pr ，即λhDNu =； 23υβtD g Gr ∆=； a υ=Pr式中：Pr 、β（空气的体胀系数，1/K ）、υ（空气的运动黏度，m 2/s ）等、λ（空气的导热系数，℃）（∙m /W ）等物性参数由定性温度）（2fw t t +从气体的热物理性质表查取；2/8.9s m g =；D 为圆管壁面定型尺寸，m ；f w t t t -=∆，℃。

水平圆管外表面空气自然对流换热实验精04 张为昭 2010010591一、 实验原理根据相似理论，空气沿水平管外表面自然对流时，一般可以得到以下指数 形式的准则关系式：(Pr)n Nu C Gr =（1） 式中，Nu ，努谢尔特准则数：/Nu hD λ=（2） Gr ，格拉晓夫准则数：32/Gr g tD v α=Δ（3） Pr ，普朗特准则数，是温度的函数。

C 和n 均为常数，我们的任务就是通过实验确定式中的这两个常数。

在准则式中，空气的导热系数λ,运动粘度v ，以及普朗特准则数Pr 可以根据实验管壁面温度tw 和环境空气温度tf 的平均值tm ，查阅有关手册内插得到。

空气的容积膨胀系数α取理想气体的膨胀系数，α=1/Tm 。

g 是重力加速度，D 是管子外径，△t 是远离管壁的空气温度差，△t=tw -tf ，tf 为空气温度，tw 为管外壁温。

本实验的关键是对流换热表面传热系数h 的确定。

由对流换热表面传热系数h 的定义：h =Qa /F △t （4）式中，Qa 为水平管外表面与周围空气之间的对流换热量，水平管的外表面积F ＝πDL ,L 为水平管的有效长度。

在气体中的对流换热，不可避免的会伴随有换热壁面与周围环境的辐射换热,因此,管的实际传出热量为对流换热和辐射换热量之和：4480()()10a r w f w f Q Q Q hF t t C F T T ε−=+=−+−×式中，ε为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数240 5.67C W m K −−=g g 。

在这里,假定了环境温度即空气温度。

于是，水平管外表面对流换热表面传热系数就可以由下式确定:4480[/()10]/()w f w f h Q F C T T t t ε−=−−×− （5）由式（5）,对给定外径为D 和长度为L ,表面黑度为ε的水平实验管,只要测量管的实际传出热量Q 、管外壁温tw 、远离壁面约1米处空气的温度tf 、就可以确定水平管外表面对流换热表面传热系数h 。

实验二、 空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数一、实验目的1．测定空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数。

并将数据整理成准则方程式。

2．了解对流换热系数的实验研究方法，学会用相似准则综合实验数据的方法，认识相似理论在对流换热实验研究中的指导意义。

二、实验原理实验研究的是受热体（圆管）在大空间中的自然对流换热现象。

根据传热学和相似原理理论，当一个受热表面在流体中发生自然对流换热时，包含自然对流换热系数的准数关系式可整理为：()nb b Grc Nu Pr ⋅= (2-1) 式中： λalNu =——努谢尔特准数；t vgl Gr ∆⋅=β23——葛拉晓夫准数； l —物体的特性尺寸，实验中为管径d ；α—对流换热系数(W/m 2·℃)；λ——流体（空气）的导热系数(W/m 2·℃)； v ——流体（空气）的运动粘度(m 2/s ）；m T /1=β——流体的体积膨胀系数(1/K)。

T m ——定性温度，实验中取()2732/0++=t t T w m ，t w 和t 0分别为圆管壁面温度和室内温度；0t t t w -=∆是过余温度（℃）； c 、n ——待定实验常数，需根据实验数据用最小二乘法进行确定。

角标“b ”表示以边界层平均温度作为定性温度。

由于在一般情况下，实验管表面散失热量Q 以对流和辐射两种方式散发的。

r c Q Q Q += (2-2)式中，Q —表面散失热量 (W)，；Q ＝IV ；Q c —自然对流散失热流量 (W)Q r —辐射散失热流量 (W)。

实验管可以被看做为被其他物体（房屋、地面）包围的面积很小的凸物体，它的辐射热量为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=44100100O W O s T T F C Q ε（W ） (2-3) 其中，εs 为系统黑度，本实验系统中即为实验管表面黑度，由实验室事先测定；C 0为绝对黑体辐射系数，C 0＝5.67（W/m 2·K 4）；T w 、T o 分别为壁温和周围物体的平均温度 (K)（近似取室温）；F 为实验管辐射散热有效面积即为其圆周面积（m 2）。

大空间外水平圆管空气自然对流换热实验思考题引言空气自然对流是指在没有外加力的情况下，由于温度差异而引起的气体自然对流传热现象。

大空间外水平圆管空气自然对流换热实验旨在研究空气自然对流传热过程，通过实验数据的采集、分析与处理，探讨换热特性与流动行为之间的关系，并且验证流体力学理论模型的准确性。

本文将针对大空间外水平圆管空气自然对流换热实验提出以下思考题，深入剖析该实验的意义与应用价值。

实验思考题1. 实验目的与意义•描述大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的目的和意义是什么？•阐述该实验在实际应用中的重要性以及相关领域中的研究前景。

2. 实验器材与测量方法•详细介绍大空间外水平圆管空气自然对流换热实验所使用的器材，包括实验装置、试验介质、实验测量仪器等。

•分析器材选择的依据以及实验测量方法的可行性和准确性。

3. 实验步骤与数据处理•总结大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的具体步骤，包括实验前的准备工作、实验操作的详细过程、实验结果的记录等。

•分析实验数据处理的方法和步骤，揭示实验中的主要分析结果。

4. 实验结果与讨论•展示大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的主要结果，包括实验示意图、实验数据曲线图等。

•分析实验结果，探讨实验中观察到的现象和关键参数之间的关系，以及它们与理论模型的符合程度。

5. 实验结论•总结大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的主要结论。

•着重强调实验的意义和应用价值。

展望未来，对该研究领域的进一步研究提出建议。

实验思考题解答1. 实验目的与意义大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的目的是研究空气自然对流传热过程，在特定条件下测量和分析流体的温度分布和换热特性。

通过实验结果，可以获得空气自然对流过程中的关键参数和特性，为空气自然对流传热现象的研究提供实验基础。

该实验的意义在于：•增进对空气自然对流传热机理的理解：通过实验数据的采集和分析，可以深入理解空气自然对流传热的机理和规律，探讨温度差异对流体流动行为的影响，为空气自然对流换热的理论研究提供实验依据。

对流传热系数的测定实验指导书1 训练目的：1．1熟悉换热装置中的各种设备及名称、各类测量仪表及名称、控制阀门的作用、冷热流体进出口位置等。

1．2了解换热器的结构，掌握对装置的试压、试漏等操作技能。

1．3掌握传热系统的流程和开、停车步骤及常见事故的处理方法。

1．4学会对流传热系数的测定方法。

1．5测定空气在圆形直管内（或螺旋槽管内）的强制对流传热系数，并把数据整理成准数关系式。

1．6了解影响对流传热系数的因素和强化传热的途径。

2．实验内容：测定不同空气流量下空气和水蒸汽在套管换热器中的进出口温度，求得空气在管内的对流传热系数。

3 基本原理3．1准数关系式对流传热系数是研究传过程及换热性能的一个很重要的参数。

在工业生产和科学研究中经常采用间壁式换热装置来达到物料的冷却和加热目的，这种传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行的热量交换，由热流体对固体壁面的对流传热、固体壁面的热传导和固体壁面对流传热所组成。

由单位传热速率议程式知，单位时间、单位传热面积所传递的热量为q=K（T－t）而对流传热所传递的热量，对于冷热流体可由牛顿定律表示q=a h·（T－T wl）或q=a·（t w2－t）式中q—传热量，W/℃；a—给热系数，W/㎡；T—热流体温度，℃；t—冷液体温度，℃；T w1、t w2—热冷液体的壁温，℃；下标：c—冷侧面h—热侧由于对流传热过程十分复杂，影响因素极多，目前尚不能通过解析法得到对流传热系数的关系式，它必须由实验加以测定获得各种因素下对流传热系数的定量关系。

为了减少实验工作量，采用因次分析法将有关的影响因素无因次化处理后组成若干个无因次数群，从而获得描述对流传热过程的无因次方块字程。

在此基础上组织实验，并经过数据处理得到相应的关系式，如流体在圆形（光滑）直管中做强制对流传热时传热系数的变化规律可用如下准数关联式表示N u=CR e m P r n=ad/λR e=duρ/µ=dw/AμNμ—努塞尔特准数；Re—雷诺准数；P r—普兰特准数；w—空气的质量流量，㎏/s；d—热管内径，m；A—换热管截面积，㎡；μ—定性温度下空气的粘度，P a·S；λ—定性温度下空气的导热系数，W/（m·℃）；a—对流传热系数，W/（㎡·℃）；当流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3。

水平圆管在大空间内自然对流换热的实验与数值分析李庆领;杨广志;李涛【摘要】By means of combining experiment with numerical computation, the heat exchange process with natural convection over horizontal circular pipe in large space was investigated It was found by the experiment that the heat exchange coefficient would increase with the temperature rising on the outersur-face of the pipe. Experimental correlation of natural convection heat exchange was fitted by using experimental data. The natural convection heat transfer of horizontal circular pipe was numerically analyzed on the platform of Fluent The result showed that the intensity of the natural convection heat exchange would be decided by the temperature difference between pipe wall and ambient air; the bigger the temperature difference was the faster the natural convection flow is and the bigger the maximum flowing velocity would be. The continual rising airflow would be formed around the pipe, which was drived by the uplift due to the temperature differences.%通过实验与数值计算相结合的方法,对大空间水平圆管的自然对流换热过程进行研究.实验得出圆管自然对流换热系数随管壁温度的升高而增大,并拟合了实验条件下的自然对流换热实验关联武.以Fluent为平台,对水平圆管在大空间内的自然对流换热进行数值分析.结果表明,自然对流换热强弱取决于圆管壁面与周围流体温差的大小,温差越大,自然对流流动发展越快,最大流速越大,圆管周围空气在温差产生的浮升力驱动下形成不断上升的气流.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2013(039)002【总页数】4页(P43-46)【关键词】水平圆管;自然对流换热;Fluent;数值模拟【作者】李庆领;杨广志;李涛【作者单位】青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061【正文语种】中文【中图分类】TK124大空间内水平圆管外表面的自然对流换热是日常生活与工业生产中普遍存在的现象，国内外学者针对这一问题进行了大量的研究，李远涛［1］对水平圆管自然对流换热进行了实验和数值模拟研究，对比并得出了最佳的经验公式，分析了自然对流换热流场与温度场的影响因素；王晓云［2］通过实验分析了辐射传热在水平圆管自然对流换热中的比重以及圆管周围的温度分布情况；朱进容［3］基于激光横向剪切干涉测试装置研究了大空间水平恒温圆管的自然对流换热，拟合出新的平均努赛尔数准则关系式，并通过Fluent对二维和三维水平圆管自然对流换热进行了数值模拟分析.对于水平圆管自然对流换热的研究，主要以实验分析与解析计算为研究手段，随着计算机技术的发展，仿真模拟逐渐成为了研究自然对流换热的主要手段，但模拟分析往往只是给出模拟结果，缺少对整个对流换热过程的直观表达，因此本文运用实验与模拟相结合的分析方法，借助模拟软件，通过模拟结果云图直观的分析了大空间水平圆管自然对流换热气流流场发展过程.1 自然对流换热实验1.1 实验设备与方法外径50 mm，厚度10 mm，长1 400 mm的钢管；DALLAS 18B20型温度传感器；实验装置简图如图1所示.图1 水平圆管自然对流实验装置简图Fig.1 Schematic diagram of experimental facility for natural convection heat exchange over horizontal circular pipe 实验在封闭大空间室内进行，实验圆管上共设置6个温度传感器焊点，考虑到电加热管可能存在加热不均匀或偏心等情况，焊点分别在轴向等距分布，同时在圆周方向等角度分布，分布情况见图1.实验在8个不同的加热功率下进行，每个加热功率下持续加热6 h，当水平圆管上6个测温点测得的温度稳定不再变化时记录温度值.1.2 实验数据计算1.2.1 自然对流换热系数的计算实验时室内温度为290.5 K，实验所测的圆管管壁温度见表1.表1 不同加热功率下的管壁温度Tab.1 Temperatures of pipe wall heated with different heating powers加热电压／V加热功率／W实验测量温度／K T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6平均测量温度／K 30 10.5 295.1 296.1 295.9 295.6 295.8 295.6 295.7 50 30.0 303.1 304.2 303.6 303.4 303.7 303.3 303.6 80 74.4 315.7 316.3 316.0 315.9 316.1 315.7 316.0 100 121.0 326.2 327.1 326.6 326.3 326.5 326.6 326.6 125 190.0 341.7 342.2 342.0 342.1 342.3 341.9 342.0 150 256.5 355.8 356.7 356.2 356.2 356.6 356.4 356.3 170 334.6 371.2 371.9 372.5 373.7 374.3 373.9 372.9 190 439.7 392.2 393.3 394.2 393.8 394.0 393.9 393.6根据大空间水平圆管自然对流换热的计算公式得到了实验条件下空气的自然对流换热系数随温度的变化规律，如图2所示.图2中空气的自然对流换热系数随着圆管壁面温度的升高而逐渐增大，但前段的自然对流换热系数的增长幅度要远大于后段.因为在管壁温度较低时，固体管壁与周围空气之间温差较小，自然对流换热较弱.又由于圆管表面氧化严重，黑度较大，在小温差条件下辐射换热所占比重较大，但随着管壁温度的升高，管壁与周围空气之间的温差不断变大，自然对流换热也逐渐成为主要的换热方式.图2 空气的自然对流换热系数随管壁温度变化曲线Fig.2 Variation of natural convection heat exchange coefficients vs pipe wall temperature1.2.2 实验关联式的拟合根据相似原理，对流换热的实验数据应表示成相似准则数之间的函数关系.根据实验数据计算得到的瑞利数Ra的数值范围摘选了2个已有研究得到的实验关联式［4-5］进行对比分析：公式中的格拉晓夫数Gr与普朗特数Pr均根据本实验获得数据计算，以不同管壁温度下的瑞利数Ra为横坐标绘制了不同实验关联式下努塞尔特数随瑞利数变化的曲线，如图3所示.图3 不同实验关联式时努塞尔特数随瑞利数的变化曲线Fig.3 Variation of Nusselt number with Rayliegh number in case of different experimental correlativity计算对比发现，不同实验关联式计算结果之间存在不同程度的偏差.分析认为是由于实验条件的限制、计算的误差以及对定性参数的选择不同，使得所得到的实验关联式针对性较强，很难获得统一的实验关联式.由于上述公式不能准确地表征本实验的自然对流换热特性，因此根据实验数据拟合得到了适合本实验瑞利数范围的大空间水平圆管自然对流换热的实验关联式：2 大空间水平圆管自然对流换热的数值分析2.1 自然对流换热问题的数学描述自然对流换热是较复杂的过程，为了简化分析，首先对模型进行了假设：1）流动为二维流动；2）流体为不可压流体；3）流体为常物性，并且无内热源；4）忽略黏性耗散产生的耗散热.因此得到的自然对流控制方程式为［4，6］：质量守恒方程：动量守恒方程：能量守恒方程：2.2 几何模型的建立与数值模拟过程通过ICEM CFD建立了数值模拟的二维几何模型.模型为宽200 mm，高1 000 mm的矩形，圆管直径为50 mm，位于中心位置，网格划分结果如图4所示.图4 几何模型的网格划分Fig.4 Meshing of geometric model实际情况下，自然对流是由于温度差引起密度差从而产生浮升力推动空气运动的现象，实质属于可压缩流动.但在Fluent中对于温差较小的流动分析，气体模型采用Boussinesq近似便可得到较好的模拟结果.Boussinesq近似是将动量方程中浮力项中的密度定义为时间的函数ρ＝ρ0［ 1-β（t- t 0）］，而能量与质量方程中的密度则视为常量［7］.圆管管壁为恒壁温边界条件，由于瑞利数范围在105左右，因此时间步长取0.000 1即可.2.3 数值模拟结果与分析2.3.1 温差对自然对流换热的影响分析通过Fluent模拟了不同实验壁温下的自然对流换热，在模拟结果中计算了努赛尔特数，如图5所示.与实验计算得到的努赛尔数相比，在温差较小时实验结果与模拟结果相差较小，但温差大于40 K时，模拟结果较实验结果有所偏差，说明Boussinesq近似在小温差下能够得到较为准确的结果，在大温差下模拟结果与实际结果稍有差异，但所建立的模型能够准确表征水平圆管的自然对流换热.图5 实验与模拟得到的努赛尔数Fig.5 Nusselt number obtained from experiment and numerical simulation模拟结果选择了管壁温度不同但自然对流流动发展时间相同的两个壁温条件下，圆管上方空气在y方向上的速度分布云图作为对比对象，如图6所示.其中T TW表示管壁温度，ΔT 表示管壁与周围空气之间的温差.两者温差差距较大，能够用以分析温差对自然对流换热的影响.通过模拟结果的对比可以充分证明温差是决定自然对流换热强弱的重要因素.管壁与周围空气之间温差越大，圆管上方空气运动越剧烈，流动发展越快，这与实验部分自然对流换热系数的变化规律相一致.图6 不同温差相同时间间隔下圆管上方空气流动云图Fig.6 Nepho-gram of air flow above horizontal circular pipe for different temperature differenceand same time interval2.3.2 圆管自然对流换热气流流动的发展分析如图7a所示，圆管自然对流气流流动的发展首先从近壁处开始，近壁处的空气受管壁加热温度上升，密度减小，从而产生浮升力推动空气运动，黏性力作用使得近壁处空气附着于管壁并沿管壁向上流动，圆管近壁处的空气受热后不断上升向圆管上方汇集流动，在黏性力作用下对空气上升的速度影响最小的圆管侧面空气流速处于最大，在继续上升过程中因黏性力作用而下降.管壁周围空气沿管壁向上流动并在圆管上方汇集，推动圆管上方空气向上流动，圆管上方空气受热产生密度差引起浮升力，伴随着两端气流的推动而向上运动，这导致管壁周围会出现极小的负压区，如图7b所示.压差的存在使周围未受热空气不断涌向圆管，管壁加热吸入的空气使其上升，如此往复便形成了自然对流，如图6所示，气流不断向上流动形成气流柱.上升气流通过摩擦带动两侧停滞的空气向上运动，但气流上方空气密度大，且远离圆管不会被加热，因此上升气流会将上方密度较大空气推向两侧，同时气流的上升使得气流下方压强降低，压差又会迫使两侧空气向气流中心汇聚，被推动的密度较大的空气在压差和自身重力的影响下会出现向下的回流，因此在上升气流两侧会出现回流漩涡，如图7c所示.图7 自然对流气流流动的发展过程Fig.7 Development of air flow due to natural convection3 结论1）自然对流换热系数随管壁温度的升高而增大，根据本实验条件拟合出了该实验条件下的实验关联式.2）自然对流换热强弱取决于高温固体壁面与周围流体温差的大小，温差越大，自然对流流动发展越迅速，流动越剧烈，最大流速越大，在温差驱动下形成上升气流，并由于压差的作用在上升气流两侧形成漩涡.参考文献：［1］李远涛.横管表面自然对流传热特性的实验分析与数值模拟［J］.长春工程学院学报，2010，11（1）：64-67.［2］王晓云.自然对流状态下横圆管管壁温度圆周方向分布［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，39（6）：1282-1284.［3］朱进容.水平圆管自然对流换热的剪切干涉测温数值和实验研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.［4］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006：263-269.［5］ CHURCHILL S W，CHU H H S.Correlating equations for laminar andturbulent free convection from a vertical plate［J］.Int J Heat Mass Transfer，1975，18：1049-1053.［6］ KAYS W M，CRAWFORD M E.Convective heat and mass transfer ［M］.Second Edition.New York：McGraw-Hill Book Company，1980：387-389.［7］宋姗姗，郭雪岩.Boussinesq近似于封闭腔体内自然对流的数值模拟［J］.力学，2012，33（1）：60-67.。

湖南大学实验报告一、实验目的1. 测定单根横管对周围空气自然对流时的表面传热系数；2. 用多个工况的实验数据整理成大空间自然对流的实验关联式；3. 加深对自然对流换热规律的理解。

二、实验原理被加热的水平横管，其表面壁温为w t ，周围环境空气温度为f t 。

当w t ＞f t 时，横管附近空气由于受到横管的直接加热，导致温度升高，密度变小，又因为密度的不均匀而引起浮升力，使得横管周围的空气开始沿横管表面向上运动，而周围的空气又补充到横管周围，如此循环，形成自然对流换热。

动力设备、蒸汽管道等周围都存在类似的对流换热。

根据牛顿公式，在稳定状态下，加热横管表面由于对流换热而散失的热量CQ 可由下式计算：)(f w C t t hA Q -= W （1） 式中：h ——壁面平均换热系数，W/（m 2·K ）； A ——横管有效换热面积，m 2； w t ——横管壁面平均温度，℃；f t ——空气主流温度，℃。

如果考虑横管表面对空间辐射的影响，还有一部分热量由管壁以辐射方式向外散热，散热量可由下式计算：])100()100[(44f w R T TA Q -⋅⋅=δε W （2）式中：ε——管子表面黑度，ε＝0.1（根据横管表面黑度确定，软件可自己设定）；δ——黑体辐射常数，δ＝5.67 W/（m 2·K 4）;A ——管子表面积，m 2； w T ——管子壁面平均温度，K ；f T ——空气温度，K 。

根据式（1）和式（2），当达到稳定状态时，横管传给空气总的热量，在忽略管子端部散热的前提下，应等于管子内部电加热器所产生的热量Q ，而R C Q Q Q +=，因此若测得壁温w t 和空气温度ft ，那么对流换热系数h ，可由下式求得：)( —f w Rt t A Q Q h -=W/(m 2.K) （3）根据相似理论，自然对流的准则方程可整理成：n r r u P G C N )(⋅= （4）式中：Nu ——努塞尔数，Nu=h·D / λ；Gr ——葛拉晓夫数，Gr=g βD 3 (t w －t f ) /υ2； Pr ——普朗特数，对于空气，见附录空气参数表；λ——流体导热系数，W/(m·K)；D ——横管直径，m ；β——流体的体积膨胀系数，理想气体β=1 / t m -1K ； υ——流体运动粘度，m 2/s ； △t ——壁面与空气的温差，℃。

教学实验2006空气对流换热实验台指导书目录1. 空气横掠圆管换热实验台实验指导书 (1)2. 翅片管束管外放热和阻力实验指导书 (6)3. 空气横掠平板换热实验台实验指导书 (17)4. 小型气水换热器实验台实验指导书 (19)5. 空气横掠可旋转圆管换热实验台实验指导书 (20)1.空气横掠圆管换热实验台实验指导书一、实验目的1,了解实验装置,熟悉空气流速及管壁温度的测量的方法,掌握测量仪器仪表的使用方法2,测定空气横掠单管平均表面传热系数,并将结果整理成准则关系式.3,掌握强制对流换热实验数据的处理及误差分析方法二、实验原理与实验装置根据对流换热的量纲分析,稳态强制对流换热规律可以用下列准则关系式来表示:经验表明上式可以表示成下列形式：(1)对于空气,当温度变化不大时,普朗特书Pr变化很小,可以作为常数处理.故(1)式可表示为（2）本实验的任务就是确定之值。

因此就需要测定数中所包含的各个物理量。

其中管径d为已知量，物性λ、,按定性温度查表确定.表面传热系数不能直接测出，必须通过测加热量,壁温及流体平均温度,根据(3)式来计算:（3）其中：电加热功率：单管外表面积试验装置结构及工作原理如图一所示：图1实验风洞系统简图1.风机支架2.风机3.风量调节手轮4.过渡管5.测压管6.测速段7. 过渡管8.测压管9.实验管段10. 测压管11.吸入管12.支架13. 加热元件14.控制盘三、实验步骤1．将皮托管与差压传感器连接好、校正零点；连接热电偶，再将加热器、功率表以及调压变压器的线路连接好。

经指导老师检查确认无误后，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(壁温热电偶的温度在三分钟内保持读数不变，即可认为已达到稳定状态)后，开始记录热电偶温度、电功率、空气进出口温度。