強迫流動單管管外放熱系數(shù)測試裝置實驗指導(dǎo)書

一、實驗?zāi)康?br /> ⒈了解對流放熱的實驗研究方法；
⒉測定空氣橫向流過單管表面時的平均放熱系數(shù)α，并將實驗數(shù)據(jù)整理成準則方程式；
⒊學(xué)習(xí)測量風(fēng)速、溫度、熱量的基本技能。
二、實驗原理
根據(jù)相似理論，流體受迫外掠物體時的放熱系數(shù)α與流速、物體幾何形狀及尺寸、流體物性間的關(guān)系可用下列準則方程式描述：
                     Nu=f（Re，Pr）
實驗研究表明，流體掠過橫向單管表面時，一般可將上式整理成下列具體的指數(shù)形式。

式中  ：c、n、m均為常數(shù)，由實驗確定，
N _{u m}—— 努謝爾特準則       
                   
R _{e m}—— 雷諾準則
                   
P _{t m}—— 普朗特準則
                  
上述各準則中，d——實驗管外徑，作定性尺寸[米]
                 ω——流體流過實驗管外最窄面處流速[m/s]
                 λ——流體導(dǎo)熱系數(shù)[W/m×℃]
                 α——流體導(dǎo)溫系數(shù)[m²/s]
                 ν——流體運動粘度[m²/s]   
準則角碼“m”表示用流體邊界層平均溫度 作定性溫度。                                          
鑒于實驗中流體為空氣，Prm= 0.7，故準則式可化成：
本實驗的任務(wù)在于確定c與n的數(shù)值，首先使空氣流速一定，然后測定有關(guān)的數(shù)據(jù)：電流I、電壓V、管壁溫度 、空氣溫度 ，微壓計動壓頭h。至于α、ω在實驗中無法直接測得，可通過計算求得，而物性參數(shù)可在有關(guān)書中查得。得到一組數(shù)據(jù)后，可得一組R、N_u值，改變空氣流速，又得到一組數(shù)據(jù)，再得一組R、N_u值，改變幾次空氣流速，就可得到一系列的實驗數(shù)據(jù)。
三、實驗設(shè)備
本對流實驗在一實驗風(fēng)洞中進行。實驗風(fēng)洞主要由風(fēng)洞本體、風(fēng)機、實驗桌、實驗管及其加熱器、電測溫度計、傾斜式微壓計、畢托管、電流表、電壓表以及調(diào)壓變壓器組成。
由于實驗段前有兩段整流，可使進入實驗段前的氣流穩(wěn)定。畢托管置于流速段，測速段截面較實驗段小，以使流速提高，測量準確。風(fēng)量電子調(diào)速調(diào)節(jié)。實驗風(fēng)洞中安裝了一根實驗管，管內(nèi)裝有電加熱器作為熱源，管壁嵌有四支熱電偶以測壁溫。
四、實驗步驟
⒈將畢托管與微壓計連接好、校正零點；連接熱電偶與電控箱，再將加熱器、電流表、電壓表以及調(diào)壓變壓器線路連接好，指導(dǎo)老師檢查確認無誤后，準備啟動風(fēng)機。
⒉啟動風(fēng)機，讓風(fēng)機空載啟動，然后根據(jù)需要，調(diào)節(jié)風(fēng)量。
⒊在調(diào)壓變壓器指針位于零位時，合電閘加熱實驗管，根據(jù)需要調(diào)整變壓器，使其在某一熱負荷下加熱，并保持不變，使壁溫達到穩(wěn)定（壁溫在三分鐘內(nèi)保持讀數(shù)不變，即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)）后，開始記錄電流、電壓、空氣進出口溫度及微壓計的讀數(shù)。
   ⒋在一定熱負荷下，通過調(diào)整風(fēng)量來改變Re數(shù)的大小，因此保持調(diào)壓變壓器的輸出電壓不變，依次調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量測得其動壓頭，空氣進、出口溫度以及實驗管壁溫讀數(shù)，即為不同風(fēng)速下，同一負荷時的實驗數(shù)據(jù)。
⒌不同熱負荷條件下的實驗，僅需利用調(diào)變壓器改變電加熱器功率、重復(fù)上述實驗步驟即可。
⒍實驗完畢后，先切斷實驗管加熱電源，待實驗管冷卻后再停止風(fēng)機。
五、實驗數(shù)據(jù)的整理計算
⒈壁面平均放熱系數(shù)α
電加熱器所產(chǎn)生的總熱量Q，除以對流方式由管壁傳給空氣外 ，還有一部分是以輻射方式穿出去的，因此，對流放熱量Qc為Qc =Q－Qr=IV   Q r

Qr——輻射換熱量；
ε  ——試管表面黑度；
Co——絕對黑體輻射系數(shù)；
T_ω——管壁面的平均絕對溫度；
T_f——流體的平均溫度；
F——管表面積；
根據(jù)牛頓公式，壁面平均對流放熱系數(shù)為

⒉空氣流速的計算
采用畢托管在測速段截面中心點進行測量，由于實驗風(fēng)洞測速段分布均勻，因此不必進行截面速度不均勻的修正。
若采用傾斜式微壓計測得的動壓頭為h，則由能量方程式
     而   

式中： P_酒——微壓計酒精的密度；P=0.81×10³10g/m³
          P_空——空氣的密度，根據(jù)空氣的平均溫度，可在有關(guān)書中查得。
          h——動壓頭，用液柱高表示。
由上式計算所得的流速是測速截面處的流速，而準則式中的流速W是指流體流過試管最窄處截面的流速，由連續(xù)性方程：
             
式中：F_測——測速處流道截面積；[m²]
             F_測=    ×  （mm）                  
      F_試——放試管處流道截面積；[m²]
             F_試=   ×  （mm）
      L——實驗管有效管長；L=500mm
      d——實驗管外徑；d=40mm
      n——實驗管數(shù)；n=1
      W_測——測速處流體流速；[m/s]
      W_試——實驗管截面處流速；[m/s ]
⒊確定準則方程式
將數(shù)據(jù)帶入，得到準則數(shù)，即可在Num為縱坐標，以Rem為橫坐標的常用對數(shù)坐標圖上，得到一些實驗點，然后用直線連起來，因IgNum=Igc+Rem
Igc為直線的截距，n為直線的斜率，取直線上的兩點

即可得出具體的準則方程式N_u=CRⁿ_e
六、實驗報告要求
⒈實驗原理；
⒉實驗原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)整理；
⒊做出N _u=CR ⁿ_e 圖線
⒋誤差分析。