自然对流换热试验

实验三、空气沿横管外表面自然对流换热实验一、实验目的1、测定无限空间内水平横管和空气间自由流动时的放热系数。

2、根据自由流动放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。

3、通过实验加深对相似理论的理解，并初步掌握在相似理论指导下进行实验研究的方法。

二、实验原理根据相似原理，空气自由流动放热过程准则方程由下式描述：)(γγP G f N u ⋅=通常用幂函数形式来表示：n u P G c N )(γγ⋅=通过实验确定准则方程式的函数形式，即确定准则方程式中的系数C 和指数n 。

λαdN u =2322υβνβγtd g tg G ∆=∆=ανγ=P（ P γ准则数也可以根据定性温度由书后附录查得）d —定型尺寸即横管外径； g —重力加速度：t m —定性温度。

t m =2w ft t +△t — △t=t w -t fv —空气运动粘度； λ—空气导热系数； β—空气容积膨胀系数，β=1mT 为了具体确定（1）式，根据相似定理，通过实验测得或者从书后附录中查得上述所有物理量。

而放热系数α是通过计算求得的。

由热量平衡，水平横管内电加热器发出的热量等于横管上空气自由流动放热量加横管辐射换热热量。

电加热器发热量Q=IV （W ） 横管上空气自由流动放热量Q=αF （t w -t f ） （W ）其中；F=dI π2（m ） I 为计算管长（m ）。

横管辐射换热量Q=44[100100f o T T C F ωε-（）（） ] （W ） 其中： ε—横管表面黑度，查附录7，磨光的铬ε=0.058；Co —黑体辐射系数，Co=5.67（W/㎡•K 4） 由于： Q=Q 1+Q 2 即：IV=4[100f o T Ft t C F ωωαω-+-4f T （）（）（）]10044[]100W O f T IV C F F t t ωεα--=-f T （）（）100（）W/㎡•℃ （2）三、实验装置实验装置有试验管（为降低辐射散热量的影响，试管表面镀铬抛光），放试验管的支撑架，转换开关盒等。

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 -=∆，℃。

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。

传热学实验二 空气沿横管表面自然对流换热一、 实验目的1. 测定大空间内横管周围空气自然对流时的表面传热系数；2. 根据自然对流换热过程的相似分析，将多个工况的实验数据整理成大空间自然对流实验关联式；3. 通过实验加深对相似理论和自然对流换热规律的理解，并初步掌握在相似理论指导下进行实验研究的方法。

二、 实验原理1. 被加热的水平横管，其表面壁温为t w ，周围环境空气温度为t f 。

当 t w ＞t f 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。

2. 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Q c可由下式计算：Q c =ℎA(t w −t f ) 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； t w ——横管壁面平均温度，℃；t f ——空气主流温度，℃。

3. 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：Q R =εδA [(T w 100)4−(T f100)4] W （2）式中：ε——管子表面黑度（ε1＝0.11，ε2＝ε3＝ε4＝0.15）； δ——黑体辐射常数，δ＝5.67 W/（m 2·K 4）; A ——管子表面积，m 2； T w ——管子壁面平均温度，K ；T f——空气温度，K。

4.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，即Q= Q c+Q R=IU，因此若测得壁温t w和空气温度t f，那么对流换热系数h，可由下式求得：ℎ=Q−Q RA(t w−t f)=IU−εδA[(T w100)4−(T f100)4]A(t w−t f)（3）5.根据相似原理，自然对流换热过程准则方程由（4）式所示：Nu=C(Pr∙Gr)n（4）Nu=ℎdλ（5）Pr=νa（6）Gr=gβd3Δtυ2（7）式中：Nu——努塞尔数；Gr——格拉晓夫数；Pr——普朗特数，由定性温度查附录空气参数表；λ——空气导热系数，W/(m·K)；d——横管外径，m；β——空气的体积膨胀系数，理想气体β=1t m+273.15，-1K；ν——流体运动粘度，m2/s；Δt——壁面与空气的温差，℃。

螺旋翅片管自然对流换热实验研究
螺旋翅片管自然对流换热实验研究是一种研究翅片管在自然对流条件下的换热性能的实验。

以下是实验的步骤和内容：
1. 准备实验装置：选择两根形状完全不同的螺旋翅片管作为实验对象，并确保其处于良好的工作状态。

2. 设定实验条件：在自然对流条件下，对两根翅片管进行换热实验，记录相关数据。

3. 采集数据：通过测量两根翅片管在不同时刻的温度，记录相关数据，例如肋基温度、肋端温度等。

4. 数据处理与分析：运用最小二乘法对所采集的数据进行线性拟合，得到肋基、肋端的温度分布曲线。

这些数据可以用于分析翅片管的换热性能。

5. 结果讨论与比较：将实验结果与理论预测进行比较，探讨翅片管的换热性能是否符合预期。

同时，还可以比较不同形状的螺旋翅片管的换热性能差异。

6. 结论总结：根据实验结果，总结螺旋翅片管在自然对流条件下的换热特性，并为其在实际应用中的优化提供参考。

实验过程中，需要注意以下几点：
1. 确保实验装置的准确性和稳定性，以获得准确的测量结果。

2. 在采集数据时，要保证测量点的代表性，避免出现误差。

3. 在数据处理时，要采用合适的方法进行数据拟合和曲线绘制，以保证结果的准确性。

4. 在结果分析时，要结合理论进行深入探讨，并注意比较不同形状的螺旋翅片管的换热性能差异。

以上内容仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。

空气横掠单圆管时自然对流换热实验一、实验目的1.测定水平圆管加热时周围空气自然对流换热平均表面传热系数h。

2.根据自然对流放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。

3.通过实验加深对相似理论基本内容的理解。

二、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：Nu=C(GrPr)n(1) 式中，Nu，努谢尔特准则：Nu=hD/λ(2) Gr，格拉晓夫准则：Gr=gα△tD3/v2(3) Pr，普朗特准则，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t w和环境空气温度t f的平均值t m，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/T m。

g是重力加速度，D是管子直径，△t是远离管壁的空气温度差，△t=t w－t f，t f为空气温度，t w为管外壁温。

关键的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=Q a/F△t (4) 式中，Q a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，则管的实际传出热量为对流换热和辐射换热量之和:Q=Q a+Q r=hF(t w－t f)+εC0F(T w4－T f4)×10－8式中，ε为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数C0=5.67W·m－2·K－4。

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：h=[Q/F－εC0(T w4－T f4)×10－8]/ (t w－t f) (5)由式（5），对给定外径为D和长度为L表面黑度ε确定的水平实验管，只要测量管的实际传出热量Q、管外壁温t w、远离壁面约1米处空气的温度t f、就可以确定水平管外表面对流换热表面传热系数h。

实验一 自然对流横管管外对流换热系数测试一、 实验目的1. 了解空气沿横管表面自然对流换热系数的实验方法，巩固课堂上学过的知识；2. 测定单管的自然对流换热系数；3. 根据相似性分析，整理出准则方程式。

二、 实验原理对不锈钢水平圆管进行电加热后，热量是以对流和辐射两种方式散失到周围空气，因此横管的输入电功率等于对流换热与辐射换热量之和，即：r = [W]c IV ΦΦ+Φ=()c [W]w f hA t t Φ=−44r 5.67 [W]100100f w T T A ε⎡⎤⎛⎫⎛⎫Φ=−⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎣⎦故()4425.67 [W/m ]100100f w w f w f T T IV h t t A t t ε⎡⎤⎛⎫⎛⎫=−⋅⎢⎥⎪ ⎪−−⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎣⎦－℃ 式中：Φc ——对流换热量,W ； Φr ——辐射换热量，W ；I ——加热电流，A ； V ——加热电压，V ；h ——横管表面自然对流换热系数，W/m 2·℃； A ——圆管表面积，A=πdL ，m 2； t w ——横管表面平均温度，℃； t f ——室内空气温度，℃；ε——横管表面黑度。

根据相似理论，对于自然对流换热，努谢尔特数Nu 是格拉晓夫数Gr 、普朗特数Pr 的函数，即：()Pr Nu f Gr =⋅上式一般可表示成幂函数的形式：()Pr nNu c Gr =⋅定性温度为流体与壁面的平均温度()12m w f t t t =+，特征尺寸为管子内径。

c 、n 是通过实验所确定的常数。

Nu 、Gr 、Pr 数的定义可参考讲义，空气的物性参数可据定性温度由物性参数表查出。

改变工况（加热量），可求得一组准则数，把几组数据标在对数坐标纸上即可得到以Nu为纵坐标、以Gr、Pr为横坐标的一系列点，通过这些点用最小二乘法拟合一条直线，根据：()Nu c n Gr=+⋅即Y A nXlg lg lg Pr=+这条直线的斜率即为n，截距为c。

自然对流换热实验误差分析误差是客观存在的,但误差有大与小之别,我们只有知道误差的产生、变大或减小的原因,才能在实验中尽可能地减小误差。

从误差产生的来源看,误差可分系统误差和偶然误差。

例1.弹簧测力计测量时的误差分析1.偶然误差弹簧测力计测量读数时,经常出现有时读数偏大,有时读数又可能偏小,每次的读数一般不等,这就是测量中存在的偶然误差。

2.系统误差首先,从测力计的设计上看,在制作刻度时,都是按向上拉设计的,此时弹簧受自重而伸长。

因此向上拉使用时,弹簧的自重对测量没有影响,此时误差最小。

当我们水平使用时,弹簧的自身重力竖直向下,而弹簧水平放置,此时弹簧自重不会使弹簧长度发生变化。

与竖直向上使用对比,弹簧长度略短,指针没有指在零刻度线上。

这时,使用误差增大,测量值略小于真实值(但由于变化不大可以忽略不计)。

当我们竖直向下用力使用时,弹簧由于自身重力影响而变短,与竖直向上使用相比指针偏离零刻度底线较远,这时使用误差较大,测量值比真实值小得多。

我们在使用时必须进行零点矫正。

在对误差展开分析研究确认其产生来源和所属类型后,可以使用适度的方法对系统误差予以管制或增大,使测任于中的误差获得抵销,从而扼制或增大误差对结果的影响。

1.偶然误差的控制(1)测量中读数误差的掌控测量仪器的读数规则是:测量误差出现在哪一位,读数就应读到哪一位,一般可根据测量仪器的最小分度来确定读数误差出现的位置。

(2)数据处理过程中测量误差的掌控数据处理问题的各个方面都是与测量误差问题密切相关的,总的原则是:数据处理不能引进“误差”的精确度,但也不能因为处理不当而引进“误差”来,要充分利用和合理取舍所得数据,得出最好的结果来,数据处理过程中应注意以下几点。

①在运算中要适度留存有效数字。

②多次测量后的数据要参照一定的判断决定是否全部数据都保留。

③用做图法处置数据时,必须特别注意图纸大小的挑选,等等。

2.系统误差的控制(1)通过更科学的实验设计去增大系统误差。

自然对流换热及实验关联式自然对流是流场温度分布不均匀导致的密度不均匀分布，在重力场的作用下产生的流体运动过程。

而自然对流换热则是流体与固体壁面之间因温度不同引起的自然对流时发生的热量交换过程。

如图 4 － 25 所示的几种自然对流的情况，前三种为大空间自然对流换热，后两种为受限空间的自然对流换热。

在自然界、在现实生活中、以及在工程上，物体的自然冷却或加热都是以自然对流换热的方式实现的。

例如，在偏僻地区，一些平时无人看管的小变电站或电话中继站等，其发热设备往往靠自然对流冷却。

此外，管道、输电线的散热、电子器件的散热、暖气片对室内空气的散热以及海洋环流、大气环流等都与自然对流有关。

由于自然对流换热的换热强度比较弱，尤其是在空气环境下，同时还存在着辐射换热，而且在温度比较高的情况下，辐射换热的强度与自然对流换热的强度处于相同的数量级。

因此，在自然对流换热的实际计算中辐射换热是不可随意忽略的。

一、大空间自然对流的流动和换热特征自然对流与受迫对流最大的不同点在于流体的运动是由于温度差引起的，因而流体与换热是密不可分的。

为了讨论自然对流的流动和换热特征，这里以竖直平板在空气中的自然冷却过程为例来进行分析，如图 4 － 26 所示。

竖直平板在空气中冷却，由于空气的黏度很小，因温度差引起的流体流动的范围十分有限。

在垂直于壁面的方向上流体的速度从壁面处的 u w =0 ，逐步增大到最大值 u max ，再往后又逐步减小到 u ∞ =0 。

这种流体速度变化的区域相对于流体沿着平板上升方向（图中的 x 方向）的尺度是很薄的，因而可以称之为自然对流的速度边界层，其厚度δ (x) 仍然采用受迫对流边界层的约定方法。

它与受迫对流的速度边界层很相似，但也有显著的差别。

主要体现在速度剖面（ y 方向上的速度分布）的不同上，自然对流边界层中速度从零经最大值后在到零值，而受迫对流边界层中速度从零变化到最大值，即来流速度。

与速度边界层同时存在的还有温度发生显著变化的薄层，也就是温度从 t w 逐步变化到环境温度 t ∞热边界层，其厚度与速度边界层大致相当。

实验二 横管自然对流传热规律实验研究一、实验目的1．了解空气沿横管表面自然对流传热规律的实验研究方法，巩固课堂上学过的传热学知识。

2．测定横管的自然对流传热系数h 。

3．通过数据处理，整理出自然对流传热准则方程式。

二、实验原理对横管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对流换热量为总热量与辐射热换量之差，即：r c Φ+Φ=Φ, )(∞-=Φt t hA w c ,⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ∞440100100T T A C w r εIV =Φ (W)⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-Φ--Φ=∞∞∞∞∞440100100)()()(T T t t C t t A IV t t A t t A h w w w w r w ε 式中：Φ一加热功率,W ； r Φ一辐射换热量,W ；c Φ一对流换热量,W ；ε一管表面黑度；0C 一黑体的辐射系数；67.50=C （W/m 2·K 4） w t 一管壁平均温度, ℃； ∞t 一室内空气温度,℃； A 一管表面积，m 2；h 一自然对流传热系数,W/(m 2·℃)；根据相似理论，对于自然对流传热，努谢尔特数Nu 是葛拉晓夫数Gr 、普朗特数Pr 的函数，可表示成：nGr C Nu Pr)(⋅=其中C 、n 是通过实验所确定的常数。

为了确定上述关系式的具体形式，根据所测的数据，求出准则数：λhd Nu =32g td Gr αν∆= 式中，Pr 、α、λ、ν为空气的物性参数，由定性温度t m 从教科书中查出。

2∞+=t t t w m ，d 为定型尺寸,取管外径，∞-=∆t t t w ；m1T α≈。

w t 为横管平均壁温，取各测点温度平均值，即nt t t t nw +⋅⋅++=21。

测出稳定状态下四根横管的管壁温度、加热功率和空气温度，即可求得4组Nu 、 Gr ·Pr 数，把4组数据取对数绘在直角坐标纸上,得到以lnNu 为纵坐标，以ln(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：Pr)ln(ln ln ⋅+=Gr n C Nu ,这条直线的斜率即为n ，截距为ln C 。