实验8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验一、实验目的1. 测算空气横掠单管时的平均换热系数h 。
2. 测算空气横掠单管时的实验准则方程式1Re Pr n Nu C =⋅⋅。
3. 学习对流换热实验的测量方法。
二、实验测算公式1．根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h 。
即：h=)(f W t t A Q -QA t=⋅∆ w/m 2·K （8-1）式中：Q — 空气横掠单管时总的换热量， W ； A — 空气横掠单管时单管的表面积，m2;w t — 空气横掠单管时单管壁温 ℃；f t — 空气横掠单管时来流空气温度 ℃；t ∆— 壁面温度与来流空气温度平均温差，℃；2．空气横掠单管换热时，实验关联式的确定根据传热学理论，换热系数与流速、管径、温度、流体物性等有关，并可用下列准则方程式关联：(Re,Pr)Nu f = (8-2 ) 空气横掠单管换热时，实验关联式为：1Re Pr n Nu C =⋅⋅ （8-3）在定常性温度下(m t )，普朗特数r P 可视为常数，故（3）简化为：Re n Nu C '= （8-4）式中Nu — 努谢尔数，Nu λhd=，Re — 雷诺数， Re vud =， Pr — 普朗特数，1313Pr Pr C C C '=⋅=⋅ (8-5)C ,n — 由实验确定的常数，m t —定性温度由下式确定：()2+=w f mt t t ℃ （8-6） 上述公式中，d —外管径（m ），λ—流体的导热系数（w/m ·℃），u —流体在实验测试段中的流速（m/s ），v —流体的运动粘度（㎡/s ）。
3．实验关联式计算设y=lgNu ，x=lgRe ，在双对数坐标系下，公式（8-4）可写为： lg y n x C '=⋅+ （8-7） 根据最小二乘法原理，常数lg C 及n 可按下式计算：211112211lg ======-'=⎛⎫- ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑∑N N N Ni iiiii i i i NNi ii i x y x y xC x N x （8-8）n =1112211N N Niiiii i i NNi ii i x y N x yx N x =====-⎛⎫- ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑ (8-9)式中： N 为实际工况测试点数(N=11或N ＝10)。
4．实验参数计算 （1）空气流速u 根据u=空介ρρ3102-⨯H g m/s （8-10）式中：g — 重力加速度， m/s 2H — 微压计动压头（实测）， （酒精柱高） ρ介— 酒精密度(ρ介=0.89*103kg/m 3)，ρ空— 空气密度（查表）， kg/m 3（2）单管加热量QQ=UI 单位：W （8-11） 式中 U — 实验管端电压（实测）， I — 实验管工作电流（实测）。
5．实验结果误差计算用均方根误差σ可以反映实验点（x,y ）与关联式代表线 (lg y n x C ''=⋅+)的平均偏差。
σ=（8-12）其中，N 为测试点数(N=11或N ＝10)。
6.对流换热的定义对流换热是指在温差存在时，流动的流体与固体壁面之间的热量传递过程。
7.牛顿冷却公式根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h 。
即：t A Q t t A Q h f w ∆⋅=-=/)(/ w/m 2·K 式中：Q — 空气横掠单管时总的换热量， W ； A — 空气横掠单管时单管的表面积，m2;w t — 空气横掠单管时单管壁温 ℃；f t — 空气横掠单管时来流空气温度 ℃；t ∆— 壁面温度与来流空气温度平均温差，℃；8.影响h 的因素1）.对流的方式：对流的方式有两种；（1）自然对流：由流体冷、热各部分的密度不同，所引起的流动。
（2）强迫对流：由外力（风机、水泵等）驱动的流体流动。
2）.流动的情况：流动方式有两种；一种为雷诺数Re<2200的层流，另一种为Re>10000的紊流。
针对管内流动，当 Re ＜2300时为稳定层流；Re ＞1×104时为旺盛紊流；2300＜Re ＜1×104时则为不稳定的过渡段。
Re — 雷诺数， Re vud =，雷诺数Re 的物理定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数。
上述公式中，d —外管径（m ），u —流体在实验测试段中的流速（m/s ），v —流体的运动粘度（㎡/s ）。
3）.物体的物理性质：流体物性参数有比热容，导热系数，运动粘度，动力粘度，导热率，普朗特数，需要在定性温度下测得物性参数。
定性温度是指某种介质（冷介质或热介质）在求物性参数时使用的温度，如果介质粘度不大，取进出口温度的算术平均温度，如果粘度较大，可加权平均。
Pr — 普朗特数，Pr=αν= cpμ/k 其中α为热扩散率, v 为运动粘度, μ为动力粘度；cp 为等压比热容；k 为热导率；普朗特数的定义是：运动粘度与导温系数之比4）流体有无相变:发生流体集态改变（或相变），如液体受热沸腾或蒸汽遇冷凝结的对流换热过程，称为相变换热。
相变换热较强烈。
冷结：流体降温到一定温度时出现的固化现象，在流体从液态开始转化为固态到完全转化为固态期间流体温度不变，如下图为冷结的流体持续加热温度变化，B 点时开始溶解，C 点完全转化为液体。
沸腾：是指流体受热超过其饱和温度时，在流体内部和表面同时发生剧烈汽化的现象，沸腾开始到结束期间流体温度不变如下图流体持续加热温度变化，B 点开始沸腾，到C 点借宿，期间温度不变。
5）换热面的形状和大小及位置: 影响流体的流动情况，边界层的形成、发展产生显著影响，从而影响对流换热。
定性尺寸：同样准则方程式中还有一些准则数要涉及到其空间尺寸，这些尺寸对固体壁面的放热情况有决定性的影响，称这些尺寸为定性尺寸。
6）流体的热物理性质：①导热率λ：热导率越大，流体内部和流体与壁面间导热热阻越小，对流换热就越强烈。
②密度ρ和比热c ：反映单位体积流体热容量的大小，是衡量流体载热能力的标志。
③动力粘度η，运动粘度v ，粘度影响流体的速度分布与流态，不利于热对流。
9、详细介绍4个准则数及其物理意义①反映流动状况的雷诺准则：vudud ==ηρRe 物理意义：反应流体强制对流时，惯性力和粘滞力的相对大小。
②反映流体物理性质的普朗特准则： avc p p r ==λη 物理意义：反应流体动量扩散能力与热扩散能力的相对大小。
③格拉晓夫准则： 23v tgad Gr ∆=物理意义：反应自然对流对换热过程中，浮升力与粘滞里的相对大小。
④表示对流换热强弱的准则努谢尔特准则： λhdNu =物理意义: 反应对流换热过程中壁面法向温度梯度大小的影响10、对流换热方程的一般表达方式强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动 强迫对流公式为Pr),(Gr f Nu = 1）.Re=vul =雷诺数Re 的定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数Re=UL/ν 。
其中U 为速度特征尺度，L 为长度特征尺度，ν为运动学黏性系数。
2).Pr=αν 定义：流体运动学黏性系数γ与导温系数κ比值的无量纲数 3).Nu=λhd（努谢尔数） 4).Gr=23νtgad ∆式中a 为流体膨胀系数，v 为流体可运动系数。
格拉晓夫数 ，自然对流浮力和粘性力之比 ，控制长度和自然对流边界层厚度之比 。
11.对流换热的机理热边界层热边界层的定义是：黏性流体流动在壁面附近形成的以热焓(或温度)剧变为特征的流体薄层热边界层内存在较大的温度梯度，主流区温度梯度为零。
当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时，即()()99.0/=--∞t t t tww，此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面之间的距离则是热边界层的厚度,记为δt(x) 1）对流换热的机理:对流换热传热机理：由于流体粘滞力的作用，使流体在固体壁面上处于不流动的状态，所以使流体速度从壁面上的零速度值逐步变化到来流的速度值。
通过固体壁面的热流也会在流体分子的作用下向流体扩散(热传导)，并不断地被流体的流动而带到下游（热对流），因而对流换热过程热对流与导热的综合作用的结果。
2）边界层的理论1、 流动边界层：定义：固体表面附近速度发生急剧变化的薄层。
流体流过固体壁面时，由于壁面层流体分子的不滑移特性，在流体黏性力的作用下，近壁流体流速在垂直于壁面的方向上会从壁面处的零速度逐步变化到来流速度，如图5－10所示。
流体流速变化的剧烈程度，即该方向上的速度梯度，与流体的黏性力和速度的大小密切相关。
普朗特通过观察发现，对于低黏度的流体，如水和空气等，在以较大的流速流过固体壁面时，在壁面上流体速度发生显著变化的流体层是非常薄的。
因而他把在垂直于壁面的方向上流体流速发生显著变化的流体薄层定义为速度边界层，而把边界层外流体速度变化比较小的流体流场视为势流流动区域。
这样，引入边界层的概念之后，流体流过固体壁面的流场就人为地分成两个不同的区域，其一是边界层流动区，这里流体的黏性力与流体的惯性力共同作用，引起流体速度发生显著变化；其二是势流区，这里流体黏性力的作用非常微弱，可视为无黏性的理想流体流动，也就是势流流动。
2. 热边界层定义：当流体流过平板而平板的温度t w 与来流流体的温度t ∞不相等时，对于上述的低黏性流体，如果流体的热扩散系数也很小，在壁面上方也能形成温度发生显著变化的薄层，常称为热边界层。
热边界层厚度仿照速度边界层的约定规则，当壁面与流体之间的温差达到壁面与来流流体之间的温差的0.99倍时，即99.0---ωt t tt w w ，此位置就是边界层的外边缘，而该点到壁面之间的距离则是热边界层的厚度,记为。
如果整个平板都保持温度t w ，那么，x=0时δt (x)=0，且随着x 值的增大逐步增厚。
在同一位置上热边界层厚度与速度边界层厚度的相对大小与流体的普朗特数Pr 有关，也就是与流体的热扩散特性和动量扩散特性的相对大小有关。
12、举例说明对流换热的计算过程：长度[m]，质量[kg]，时间[s]，电流[A]，温度[K]，物质的量[mol]，发光强度[cd] 因此，上面涉及了4个基本量纲：时间[T]，长度[L]，质量[M]，温度[Q] 所以 r = 4p c p d u h ,,,,,,:7ηλη=[][][][]Θ=,,,:4M L T rn – r = 3，即应该有三个无量纲量，因此，我们必须选定4个基本物理量，以与其它量组成三个无量纲量。
我们选u,d,l,h 为基本物理量(c)组成三个无量纲量11111d c b a d hu n ηλ= 22222d c b a d pu n ηλ=33323d c b a p d u c n ηλ=为例于是有：Pr)(Re,f Nu =单相、强制对流 强制对流：Pr)(Re,f Nu =Pr)Re,,(x f Nu x '= 自然对流换热：Pr),(Gr f Nu = 混合对流换热：Pr),(Re,Gr f Nu =Nu — 待定特征数含有待求的 h ）；Re ，Pr ，Gr — 已定特征数按上述关联式整理实验数据，得到实用关联式解决了实验中实验数据如何整理问题.1．根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h 。
