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空气横掠管束时的强迫对流传热实验13级能动卓越唐萍南201323060314同组人员：方迅舟潘捷陈明松摘要：对管束的排列方式、空气来流速度的大小对换热系数的影响进行了实验验证。
并根据最小二乘法等数据处理方法整理了使用本系统测试的实验数据,对实验数据进行了分析与讨论。
以图表的形式清晰的表述了影响因素的不同带来的变化规律。
实验系统结构合理紧凑、实验精度较高。
通过此次实验，很好的帮助了学生了解换热系数在空气横掠管束时的主要影响因素，对以后的学习以及工作中从事换热方面的研究打下坚实的基础。
关键词：叉排，顺排，换热系数，来流速度目录一.实验原理 (1)1.1管束排列方式对换热系数的影响： (1)1.2来流速度对换热系数的影响： (2)二．实验装置及测量系统 (2)三．实验步骤 (3)四．实验数据计算方法 (4)五．试验结果分析 (6)5.1试验结果处理步骤（以50pa动压顺排方式为例） (6)5.1来流速度对换热系数的影响试验结果分析 (7)5.2管束排列方式对换热系数的影响验结果分析 (9)六.实验优缺点分析 (11)对流换热是传热学中最基本、最重要的研究领域之一，流体横掠管束管束时的对流换热其换热系数除受到管径影响外，还受到管距、管排数和排列方式的影响。
由于相邻圆管的影响，流体在管间的流动截面交叉减少，流体在管间交替加减速，管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加减速的程度，管束排列方式对换热系数h的影响比较明显。
本文将从管束的排列方式、空气来流速度的大小对换热系数的影响方面展开细致的讨论。
一.实验原理1.1管束排列方式对换热系数的影响：流体横掠管束时的对流传热与横掠单管时不同，除管径影响传热系数外，管距，管排数和排列方式也影响对流传热系数。
由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交叉的减少，流体在管间交替地加速和减速。
管距地大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。
从第二排起，后排管子受第一排尾部涡流的的影响。
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13Re Pr nNu C =⋅⋅。
3. 学习对流换热实验的测量方法。
二、实验原理 1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。
2、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：h=)(f W t t A Q-Q A 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，℃；3、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 （2）强迫对流 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。
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： 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).换面的形状和位置 5).流体集体的改变 相变换热 ：凝结与沸腾4、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(Re,Pr)Nu f =自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动。
自然对流公式为Nu=f （Gr ，Pr ） 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 。
横掠单管的对流换热实验设计引言对流换热是研究热传递过程中重要的一部分，它在许多工程领域都具有重要应用，如空调、电力系统、核能等。
横掠单管是一种常用的热交换器形式，可以提供高效的换热性能。
本文将探讨横掠单管的对流换热实验设计及其相关问题。
实验目的本实验旨在研究横掠单管的对流换热性能，具体包括以下几个方面：1.研究横掠单管的传热特性。
2.分析不同工况下的传热系数变化。
3.探究影响传热性能的因素。
实验装置本实验采用横掠单管对流换热实验装置进行研究。
实验装置主要包括以下几个部分：1. 单管换热器单管换热器是本实验的核心装置，用于模拟实际工程中的横掠单管换热过程。
它由一个加热管和一个冷却管组成，在管内通过流体实现热量的传递。
2. 流体供给系统流体供给系统负责向单管换热器提供流体，并控制流体的流量和温度。
通过调节供给系统的参数，可以模拟不同工况下的对流换热过程。
3. 测量系统测量系统用于测量单管换热器在换热过程中的各种参数。
包括流体流量、温度差、压力等。
通过测量系统的数据，可以计算得到换热系数等关键参数。
实验步骤本实验的步骤如下：1. 实验准备•检查实验装置的正常工作状态。
•校准流量计、温度计等测量设备。
2. 实验预热•打开流体供给系统，将流体温度调节至实验所需温度。
•等待实验装置达到稳定工作状态。
3. 测量参数•开始数据采集，并记录流体流量、温度差、压力等参数。
•持续测量一定时间，以获得足够的数据量。
4. 数据分析•根据实验数据计算换热系数等关键参数。
•分析不同工况下的对流换热性能变化。
5. 结果讨论•进一步讨论实验结果，分析影响传热性能的因素。
•提出可能的改进方案和进一步的研究方向。
实验注意事项在进行实验过程中，需要注意以下几个事项：1.实验操作时要认真，遵循操作规程，确保实验安全。
2.实验装置要保持清洁，并及时排除故障。
3.测量设备要经过校准，确保测量准确性。
4.实验数据要进行多次重复测量，以提高数据的可靠性。
空气横掠单管强迫对流的换热实验报告实验目的：1、了解强迫对流换热在工业上应用2、熟悉实验装置和控制方法3、测定空气横掠单管时的温度分布4、观察水中鱼儿欢快游动，体会气泡产生过程及数量。
5、通过对比计算得出影响水中空化现象发展的因素实验原理：根据伯努利方程推导，物质加热使其从液态变为汽态时所需要的吸收或放出的热量Q= cm△H（ t- t0）,即可由焓变公式 E= cRT 求出该物质汽化的焓变，由该式再代入上式即可得到强迫对流换热系数，从而有效地提高换热效率。
实验内容：一．探究温差条件下强迫对流换热过程1.实验前准备；单管换热器(实验过程中将空气抽成真空)、氧气、氢气(制氧气、压缩机制氢气)、饱和食盐水、湿润的玻璃片、温度计等2.预习要点:以单组同种液体传递相同热量 q 与单位时间内液体在单位截面积的管壁上所获得的对流传热系数之比作为本实验的探究问题，选取合适的对照物(如氢气、干燥空气)；明确传热量 q 与对流传热系数的关系，建立数学模型并设计简单的对照实验进行检验，考虑自变量与无关变量的引入。
二．探究空气横掠单管强迫对流换热过程1.实验步骤：按教材方案①安装单管换热器、通入适量纯净空气、设置水槽及采样管口，固定好管子，打开仪器电源，调节控制电路各个参数至最佳状态，然后记录实验数据;按教材方案②添加混合气体，连接好氧气采样管，调节氧气压力至0.05MPa，记录实验数据，改善反应环境。
经典试验：经典试验，传热速率达1052.6KJ/ s，约为真空对流传热速率3倍。
三．操作注意事项：(1)采样管插入水中长度不能太短，否则易造成被冷却液冲刷而腐蚀损坏，且易受溶解于水的杂质堵塞;必须小心清洗干净;为防止因过大负荷导致熔丝烧断而使供电线路超负荷而烧毁，在强制对流换热实验中切忌用水作冷却介质，故建议采用两种方法：一是保持供电正常，利用另外一台功率较大的发电机来提供空气泵运转的动力;二是直接向密闭的聚四氟乙烯填料函喷射饱和水。
气流横掠单管外表对流换热实验一、实验目的1． 了解对流放热的实验研究方法；2． 学习测量风速、温度及热量的根本技能；3．测定空气横掠单管外表的平均放热系数，并将实验数据整理成准那么方程。
一、 实验原理根据牛顿公式，壁面平均放热系数α，可由下式计算：α=)t -t (F Q f w c )C *m /W (2 〔1〕式中c Q ：单位时间对流放热量，W ；F ：实验管有效放热面积，2m ；w t ：实验管壁面平均温度，C ；f t ：实验管前后流体平均温度，C 。
根据相似理论，流体受迫外掠物体的放热系数α与流速W 、物体几何尺寸及流体的物性等因素有关，可整理成下述准那么方程式：uf N =C m rf n ef P R 〔2〕由于实验中，流体为空气，r P =常数，故式〔2〕可简化为：uf N =C n ef R 式中：u N ：努谢尔准那么，u N =fd e R ：雷诺准那么，e R =d ：实验管外径，m ；w ：流体流过实验段最窄截面处的流速；s /m ； λ：物体导热系数,)C *m /(W ；ν：流体运动粘度,s /m 2。
准那么中的脚标“f 〞表示用流体的平均温度f t 作为定性温度。
本实验的任务是测定N和e R，准那么中所包含的u各量,如t、w、d、ν、λ，用式〔1〕计算出α组成准那么,然后通过数据处理,求得c与n值,从而建立准那么方程式〔3〕。
三、实验设备本对流放热实验在风洞中进行。
实验风洞主要由有机玻璃风洞本体、构架、风机、实验管、电加热器及热工仪表〔水银温度计、倾斜式微压计、皮托管、电位差计、电流表、电压表以及调压变压器〕组成〔图1〕。
风洞本体包括：双扭曲线进风口、蜂窝器、金属网、第一测试段、第二测试段、收缩段、测速段、扩大段等。
图1实验风洞简图1．双扭曲线进风口；2．蜂窝器；3．测试段；4．收缩段‘5．测速段；6．扩大段；7．橡皮接管；8．风机在实验段中装有实验管，铜管管壁嵌有4对热电偶以测壁温，管内装有电加热器以作为热源。
空气横掠单圆管时自然对流换热实验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:nNu=C(GrPr) (1) 式中，Nu，努谢尔特准则:Nu=hD/, (2) Gr，格拉晓夫准则:32Gr=g,?tD/v (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,，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和环境空气温度t的平均值t，查阅有关手册内插得到。
空气的容积膨胀wfm系数, 取理想气体的膨胀系数, , =1/T。
g是重力加速度，D是管子直径，?t 是远离管壁的m空气温度差，?t=t,t，t为空气温度，t为管外壁温。
关键的是对流换热表面传热系数hwffw的确定。
由对流换热表面传热系数h的定义:h=Q/F?t (4) a式中，Q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=DL，L为,a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:,844Q=Q+Q=hF(t,t)+CF(T,T)×10 ,arwf0wf,,24式中，为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数C=5.67W?m?K。
在这里，假定了环,0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:,844h=[Q/F,C(T,T)×10]/ (t,t) (5) ,0wfwf由式(5)，对给定外径为D和长度为L表面黑度, 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、远离壁面约1米处空气的温度t、就可以确定水平管外表面wf对流换热表面传热系数h。
实验三 强迫对流表面传热系数的测定一、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方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法。
2.测定空气横掠单管时的表面传热系数，掌握将实验数据整理成准则方程式的方法。
3.通过对实验数据的综合整理，掌握强迫对流换热实验数据的处理及误差分析方法。
二、实验原理根据牛顿冷却公式，壁面平均传热系数为：)(f w t t F Q h -=式中: wt —管壁平均温度，℃ft —流体的平均温度，℃F —管壁的换热面积，2m Q —对流换热量，W由相似原理，流体受迫外掠物体时的放热系数与流速物体几何形状及尺寸物性参数间的关系可用准则方程式描述：Pr)(Re,f Nu = 研究表明，流体横向冲刷单管表面时，准则关联式可整理成指数形式：mmn m m C Nu Pr Re ⋅=下标m 表示用空气膜平均温度作特征温度)(5.0f w m t t t +=又有特征数准则方程：Nu—努塞尔（Nusself ）准则数λhdNu =Re—雷诺（Reynolds ）准则数νud=RePr—普朗特（Prandtl ）准则数a ν=Prh—表面传热系数 w/(m 2·k)d —定性尺寸，取管外径 mλ—流体导热系数 w/(m ·℃) a—流体导温系数m 2/sν—流体运动粘度 m 2/su —流体运动速度m/s实验中流体为空气，因而，Pr ＝0.7，准则式可简化成nC Nu Re =本实验要测定空气横向掠过单管表面时的表面传热系数h ，我们通过测定流速，温度及物性参数的值来确定c,n 的值，便可求得平均换热系数h 。
因此，我们首先使流速一定，测定电流、电压、管壁温度、空气来流温度值，查出物性参数λ、υ、a 的值，计算出u ，d 的值得到一组数据后，可计算出一组Nu，Re的值，通过改变流速来改变Re 值，重复测量便可得到一系列数据，在以Nu 、Re为纵、横坐标的双对数坐标系中描点，并用光滑的曲线连接各测点可得到一直线，直线方程如下形式：Re lg lg lg n C Nu +=C lg 为截距，n 为斜率，从而可确定c,n 的值，知道c,n 的值后，由准则式：n C Nu Re =λhdNu =可求出表面传热系数h 。
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13Re Pr nNu C =⋅⋅。
3. 学习对流换热实验的测量方法。
二、实验原理 1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。
2、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：h=)(f W t t A Q-Q A 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，℃；3、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 （2）强迫对流 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。
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： 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).换面的形状和位置 5).流体集体的改变 相变换热 ：凝结与沸腾4、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(Re,Pr)Nu f =自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动。
自然对流公式为Nu=f （Gr ，Pr ） 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 。
5、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)6．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：13Re 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） T w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 ）。
7．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 i i 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)。
8．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）。
9．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。
21()Nii iyy N σ'-=-∑， （8-12）其中，N 为测试点数(N=11或N ＝10)。
三、实验设备实验系统装置结构如图8所示。
实验主体由风箱、风机、有机玻璃风道组成。
试验管为薄壁不锈钢加热圆管，安装在有机玻璃风道实验段中间。
采用低电压大电流的直流电对试验管直接加热。
低压大电流直流电由硅整流电源供给。
调整硅整流电源可改变圆管加热功率。
为使雷诺数Re 有较大的变化范围，一方面在每个实验台上安装不同直径的单管；另一方面，通过调节风机入口处的调风口来改变空气的流速。
四、测试方法及实验步骤在试验管处风道中装有毕脱管，通过倾斜式微压计测出实验段中空气来流的动压H ，然后计算空气流速u 。
为了准确测定试验管上的加热功率并排除管子两端的影响，在距离管端一定距离处焊有二电压测点a 、b ，经过分压箱和转换开关，用电位差计准确测定该二电压测点处的电压降U 。
试验管的加热回路中串联了一标准电阻，电流流过标准电阻时的电压降△U 经转换开关和电位差计测量，然后确定流过试验管的工作电流I 。
为了确定实验管壁的温度t w ，在试验管内壁埋设热电偶(热端)，由于管壁很薄，仅0.2～0.3mm ，故可足够准确地认为外壁温度t w 等于内壁温度t w ´。
为使测量系统简化，冷端热电偶置于空气流中。
既热端所处温度为管内壁温度t w ´，冷端所处为空气温度t f ，由电位差计测出温差热电势E （f w t t ,'）。
空气温度t f 用挂在墙壁上的水银温度计测量。
实验时对每一种直径的管子，空气流速可调整10个工况，加热电流可根据管子直径及风速大小适当调整，保持管壁与空气间有一定的温差。
每调整一个工况，须待工况稳定后才能测量有关数据。
六、实验报告1．完成实验原始数据记录（表8-1）。
2．完成实验工况数据处理（表8-2）。
3．将测出的实验点(X1,Y1)～(X11,Y11)绘在坐标图上，试说明实验点的分布规律。
4．将实验关联式的代表线: lg y n x C '=⋅+绘在坐标图上，试算出实验点与代表线的平均偏差。
注：建议用计算机Excel 完成上述实验曲线。
七．实验注意事项：1 靠近窗户的试验台，做实验时，一定要把窗帘拉上，光线直射影响实验数据。
2 转换开关不能放在电源板近处，如靠门实验台的转换开关远离电源板及风机箱时，电位差计的测量读数稳定，指针不摆动。
3 测量t f 空气温度时，用水银温度计放在t f 接近处测量。
八、思考题 1．实验管径与准则方程式有什么关连？对于空气横掠单管强迫对流换热过程，你能在教材或其他资料上找出Re 的大至范围吗？ 2．影响对流换热的主要因素是什么?3．试分析空气横掠管束时的强迫对流换热系数？表8-1实验原始数据记录 时间：实验人： 同组人：实验台号： 单位外径d= (m) 长度L= 0.1 (m) 面积A= (㎡) 调节参考值 最大 1101009080706050403020实测值pmm 气流动压H （= 0.2×P ） m 电 压 V （×5倍率） mVU （＝V ×0.201） V电 流 A （×5倍率） mVI （＝A ×2） A温 差Mv （×5倍率） mV t ∆(＝M v ×23.2)℃来流空气温度 ft℃f t ＝(t f1+t f2+t f3)/3试件壁温（计算） t w℃表8-2 实验工况整理记录变量名称 单位变 量 计 算最大1101009080706050403020空ρ(f t )Kg/m 3 u (f t )m/s 定性温度t m℃λ(t m ) w/m Kυ(t m ) m 2/s ()r m P t()r m P tQwh w/m 2KNu ReX=lgRey=lg Nulg y n x C ''=⋅+待定常数 C ',C ,n实验关联式：13'=⋅=⋅⋅/Re Re Pr n n Nu C C 平均偏差1--风箱； 2--风机； 3--有机玻璃风道；4--薄壁不锈钢圆管； 5--硅整流电源；6--调风门；7--毕托管；8--倾斜式微压计；9--分压箱；10--转换开关；11--电位差计；12--标准电阻；13、14--温差热电偶。
图8-1 实验系统装置结构图。
