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
精04 张为昭 2010010591
一、 实验原理
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：
Nu =CRe n （1）
式中,努谢尔特准则数Nu 为: Nu =hD /λl （2） 雷诺准则数Re 为: Re =uD /v （3） 这里，λ为空气的导热系数，v 为空气的运动粘度，是平均温度tm =(tf + tw )/2的函数,其中tw 为管外壁温,tf 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:
h =Q a /F (t w −t f )
（4）
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 =π
DL , 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。即管的实际传出热量为:
Q =Q a +Q f =hF (t w −t f ) +εC 0F (T w 4−T f 4) ×10−8 （5）
其中,ε为实验管外表面的黑度,黑体辐射系数C 0=5.67Wm −2K −4。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:
4
h =[Q /F −εC 0(T w −T f 4) ×10−8]/(t w −t f ) （6）
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tw 、来流
空气的温度tf ，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
管号
f/Hz
15
12
10
15
12
10
V0/V
0.4027
V/V
0.527
0.493
0.455
0.538
0.491
0.460
U/V
90.39
90.87
90.39
140.91
146.4
140.91
UR/mV
60.593
59.667
60.388
132.72
137.68
132.28
T1/mV
T2/mV
2.647
2.856
3.094
4.368
5.179
5.201
2.654
2.872
3.101
4.220
5.084
5.054
T3/mV
T4/mV
2.637
2.850
3.083
4.339
5.172
5.174
2.659
2.858
3.106
4.293
5.115
5.129
Tf/mV
0.728
0.715
0.722
0.638
0.710
0.633
A
A
A
B
B
B
0.4010
管号
f/Hz
15
12
10
15
12
10
V0/V
u/m/s 3.07
Q/w 54.73 54.18 54.55 186.84 201.37 186.22
Tf/℃ 18 18 18 16 18 16
Tw/℃ 64 69 74 101 118 118
h/w /(m 2K )
40.72 36.36 33.33 37.00 33.90 30.73
Re 3543.73 2988.87 2252.59 8364.28 6543.15 5316.64
Nu 29.86 26.47 24.09 52.07 46.70 42.34
A
A
A
B
B
B
0.4027
2.63 2.01 3.97
0.4010
3.26 2.63
三、 实验数据整理
做出的Nu-‐Re曲线如下：
Nu-‐Re曲线
求得：C=0.1617，n=0.6389
四、 实验结果分析
由三可见所求准则方程式与Re=4000~40000时的情况较为接近，但仍有所偏差，产生偏差的原因可能是：有部分Re 值小于4000造成了误差，从曲线图上也可以看出前后间隔较远的两组数据线性度较差；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；速度测量时由于温度偏差带来偏差使雷诺数与理论值不同；加热功率计算未考虑电路损失，计算h 时产生了误差；插值求气体物性时产生了计算误差；实验环境只能近似视为无限大，同时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。
五、 思考题
（1）空气的Pr 随温度变化较小，在拟合时可视作常数包含在常数C 中。
（2）在远处流道收缩处测速，测出速度较大，可减少实验设备带来的相对误差，而且在远端测速，空气的温度与外部空气温度接近，用伯努利方程计算速度时可以减小误差。