圆管自然对流计算和模拟

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。

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 -=∆，℃。

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)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）。

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 -=∆，℃。

管道流量计算1）流体在水平圆管中作层流运动时，其体积流量Q与管子两端的压强差Δp，管的半径r，长度L,以及流体的粘滞系数η有以下关系：Q=π·r4·Δp/（8ηL）式中：Q-流量，单位r-管的半径，单位Δp -管两端的压力差η—流体粘度L—管的长度2）液体流速与管径、流量的关系式：Q=V·r2·3。

14×3600;D=管径=2×2×；P=RL；R=（λ/D)*(ν^2*γ/2g）。

Q-流量（m3/h）；ν-流速（m/s)；r—管道半径(m）；D-管道直径（m）;P-压力(kg/m2)；R—沿程摩擦阻力（kg/m2)；L-管道长度（m)；g-重力加速度=9.8.压力可以换算成Pa,方法如下：1帕=1/9。

81(kg/m2)3）对于短管道：（局部阻力和流速水头不能忽略不计)流量Q=[（π/4）d2·√（1+λL/d+ζ)]·√(2gH)式中：Q—-流量,（m3/s)；Π—-圆周率；d-—管内径（m),L—-管道长度（m）；g-—重力加速度（m/s^2）；H——管道两端水头差（m）；Λ——管道的沿程阻力系数(无单位）；Ζ—-管道的局部阻力系数（无单位，有多个的要累加）。

使中部的截面积变为原来的一半，其他条件都不变，这就相当于增加了一个局部阻力系数ζ’，流量变为:Q'=[(π/4)d^2 √（1+λL/d+ζ+ζ’）] √（2gH）。

流量比原来小了。

流量减小的程度要看增加的ζ’与原来沿程阻力和局部阻力的相对大小。

当管很长（L很大），管径很小，原来管道局部阻力很大时，流量变化就小。

相反当管很短（L很小）,管径很大，原来管道局部阻力很小时，流量变化就大.定量变化必须通过定量计算确定。

流量计算公式（1）差压式流量计差压式流量计是以伯努利方程和流体连续性方程为依据，根据节流原理，当流体流经节流件时（如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、经典文丘利嘴、文丘利喷嘴等)，在其前后产生压差，此差压值与该流量的平方成正比。

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 。

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。

三维圆管流动状况的数值模拟分析在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。

层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。

雷诺数是判别流体流动状态的准则数。

本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。

1 物理模型三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。

流体介质：水，其运动粘度系数62110m /s ν-=⨯。

Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口Wall ：光滑壁面，无滑移2 在ICEM CFD 中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。

2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。

在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh 等相关文件3 数值模拟原理3.1 层流流动当水流以流速10.005m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数500υdRe ν==，故圆管内流动为层流。

假设水的粘性为常数（运动粘度系数62110m /s ν-=⨯）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：①质量守恒方程：()()()0u v w t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (1-1)②动量守恒方程：()()()()()()()u uu uv uw u u u pt x y z x x y y z z x ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-2)()()()()()()()v vu vv vw v v v pt x y z x x y y z z y ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-3)()()()()()()()w wu wv ww w w w p t x y z x x y y z z zρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-4)式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。