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空气横掠单圆管时强迫对流换热实验报告一、实验原理 可根据相似理论，空气横掠单圆管强迫对流的换热规律可用下列准则关系式来表示：n Nu CRe = (1)式中，努谢尔特准则数为： /Nu hD λ= (2)雷诺准则数为： /Re uD v = (3) 这里，λ为空气的导热系数， ν为空气的运动粘度,是平均温度2)/(m f w t t t =+的函数，其中w t 为管外壁温，f t 为空气温度；D 为实验管的外径，u 为空气的流速。
关键的是对流换热平均表面传热系数h 的确定。
由对流换热平均表面传热系数h 的定义：(/)w f h Qa F t t =-式中，Qa 为管外表面与周围空气之间的对流换热量，管的外表面积F DL π=，L 为横管的有效长度。
考虑到管外表面在与周围空气对流换热同时，与周围环境间存在辐射换热。
即管实际传出热量为:4480+10()()a f w f w f Q Q Q hF t t C F T T ε-=+=⨯－－其中，ε为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数240 5.67C Wm K --= 。
这里，假定环境温度即空气温度。
因此， 横管外表面对流换热平均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-=⨯－－－因此，对给定实验管，通过测量管的实际传出热量Q 、管外壁温w t 、来流空气的温度f t 就可通过实验确定管外表面与周围空气之间对流换热平均表面传热系数h 。
由式（2）和（3）通过改变气流速度或实验管直径，就可得到一系列Nu-Re 对应数据。
在数据足够多、Re 变化范围足够大的条件下，就可确定式(1)中的C 和n 的值。
二、实验数据列表一、实验结果及分析作出lg~lg ReNu拟合曲线如下拟合公式log0.5814log Re0.5748Nu=-，则得到0.58140.2662ReNu=即0.2662,0.581C n==产生偏差的原因可能是：(1)准则方程式在Re=4000~40000时的情况较为接近，而实验中有部分Re 值小于4000造成了误差；(2)管内存在阻力损失使压力测量有偏差，导致速度测量不准确；(3)管壁也不是严格的等壁温条件，在tf、tw的计算上会产生误差。
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验
什么是空气横掠单圆管时强迫对流换热实验？
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验是指空气在单圆管内垂直运动的强迫对流换热实验。
在这个实验中，热源可以是电加热、加热风或壁面加热等。
因为横掠强迫流会出现对称性，会得到空气横掠单圆管换热特性以及轴向流中壁面温度分布等相关数据，因此这是瞄准研究基于此类型流动的重要科学目标实验。
(1)测定热源及流量：在空气横掠单圆管时强迫对流换热实验前，需要先测定热源的温度和输入气体的流量，以及输出气体的流量。
(2)加热：应準确，平稳地加热，以保证不影响管壁温度梯度引起的湍流程度。
(3)样品采样：静置实验完成后，应在垂直于管壁的多个位置取样测温，取得空气在单圆管内的轴向温度分布情况。
(1)检查仪器状态：在实验前应严格检查操作的仪器状态，以免实验造成危险。
(2)测量温度：实验中注意观察和检测流循环温度，以免发生过热。
(3)确保实验样本完整：严守安全措施，确保管内液体完整，以防止外界物质对实验数据带来偏差。
(1)壁面温度分布：实验完成后，可以得到管腔内空气在单向流动时壁面温度分布规律。
(2)强迫对流换热率：可以确定不同热源给定条件下，空气强迫对流换热率参数。
(1)实验结果可为空调设备和气体热力学、流动与传热研究等提供实验数据和理论依据。
(2)尤其在气动管实验中，可以进行试验，观察分析流动、传热的结构特性。
(3)对冷暖冷却换热器的设计也有重要的参考价值。
第六章 单相流体对流换热及准则关联式第一节 管内受迫对流换热本章重点：准确掌握准则方程式的适用条件和定性温度、定型尺寸的确定。
1-1 一般分析),,,,,,,,(l c t t u f h p f w μαρλ=流体受迫在管内对流换热时，还应考虑以下因素的影响：① 进口段与充分发展段，② 平均流速与平均温度，③ 物性场的不均匀性，④ 管子的几何特征。
一、进口段与充分发展段1．流体在管内流动的主要特征是，流动存在着两个明显的流动区段，即流动进口（或发展）段和流动充分发展段，如图所示。
（1）从管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口段。
（2）进入定型流动的区域称为流动充分发展段。
在流动充分发展段，流体的径向速度分量v 为零，且轴向速度u 不再沿轴向变化，即：0=∂∂xu， 0=v 2．管内的流态（1）如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍然保持层流，那么进入充分发展区后也就继续保持层流流动状态，从而构成流体管内层流流动过程。
2300Re <用νdu m =Re 判断流态, 式中 m u 为管内流体的截面平均流速， d 为管子的内直径，ν 为流体的运动黏度。
（2）如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分发展区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管内紊流流动过程。
410Re >（3）如果边界层汇合时正处于流动从层流向紊流过渡的区域，那么其后的流动就会是过渡性的不稳定的流动，称为流体管内过渡流动过程。
410Re 2300<<3．热进口段和热充分发展段当流体温度和管壁温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。
随着流动从层流变为紊流， 热边界层亦有层流和紊流热边界层之分。
热充分发展段的特征对常物性流体，在常热流和常壁温边界条件下，热充分发展段的特征是：)(1x f t f =及)(2x f t w =与管内任意点的温度),(r x f t =组成的无量纲温度⎪⎪⎭⎫⎝⎛--x f x w w t t t t ,,x ,随管长保持不变，即：0,,x ,=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--∂∂x f x w w t t t t x 式中，t —管内任意点的温度，),(r x f t = ⇒xf x w w t t tt ,,x ,--仅是r 的函数。
实验2 空气横掠单管强迫对流的换热实验热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时的平均换热系数是传热中的基本实验。
本实验是测定空气横向掠过单圆管时代平均换热系数。
一、实验目的及要求1、了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法。
2、通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理的方法。
3、实验测定空气横掠单管时的平均换热系数；了解空气横掠管子时的换热规律。
、 二、实验原理1. 根据牛顿冷却公式：)(f w t t hF Q -= (W) (6-2-1) 得)(f w t t F Qh -=(W/m 2⋅℃) (6-2-2)式中 Q —对流换热的热流，[W]； h —对流换热系数，[W/m2⋅℃]； F —与流体接触的物体表面面积，[m2]； t f —流体平均温度，[℃]； t w —物体表面温度，[℃]。
本实验采用电加热的放热圆管，空气外掠圆管表面，当换热稳定时，测出加热电功率，即可得出对流换热热流Q ，即： Q IU = (W) (6-2-3) 2. 根据对流换热的分析，强制对流稳定时的换热规律可用下列准则关系式来表示：Nu f =(Re,Pr) (6-2-4)对于空气，因温度变化范围不大，上式中的普朗特数Pr 变化很小，可作为常数看待，故式(6-2-4)化简为：Nu f =(Re) (6-2-4a) 式中 努谢尔特数 λhDNu =雷诺数νvD=Reh —空气横掠单管时的平均换热系数，[W/m 2⋅℃]； v —空气来流速度，[m/s]； D —定型尺寸，取管子外径，[m]； λ—空气的导热系数，[W/m ⋅℃]； ν—空气的运动粘度，[m2/s]。
要通过实验确定空气横掠单圆管时的Nu 与Re 的关系，就需要测定不同流速v 及不同管子直径D 时换热系数h 的变化。
因此，本实验中要测量的基本量为管子所处的空气流速v 、空气温度t f 、管子表面温度t w 及管子表面散出的热量Q 。
