空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定

空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定
局部换热系数是对流换热中的重要概念，特别是流体外掠物体时，物体表面各部位的局部换热系数变化很大。

本实验通过测定空气横掠圆柱体时的局部换热系数来了解这一现象，并对产生这一现象的原因进行分析，加深对对流换热原理的认识。

一、实验目的、要求
1、了解实验装置的原理，测量系统及测试方法；
2、通过对实测数据的整理，了解局部换热系数的规律；
3、分析讨论局部换热系数的变化的原因以及加深对对流换热的认识。

二、基本原理
局部换热系数α由下列定义：
w/(m ℃)
其中：q ——物体表面某处的密度，w/m 2； t ——相应点的表面温度，℃；
t f ——主流的温度，℃。

本实验装置所用的试件是一圆柱体，横向放置在风道中，柱体表面包覆一层薄金属片，利用电流流过金属片对其加热，可以认为这样就构成了表面有恒定热流密度的圆柱体，测定流过金属片的电流和其上的电压降即可准确地确定表面的热流密度，表面温度的变化直接反应出表面换热系数的大小。

三、实验装置及测量系统
实验装置本体是由一风源和试验段构成，图1为试验段的简图
1、风道
2、圆柱体
3、不锈钢片
4、热电偶
5、测压孔
6、电源导板
图1 试验段简图
有机玻璃风道1中间横置一可旋转的胶木圆柱体2，其中段周围包覆一层不锈钢片3，片内表面设置了铜一康铜热电偶4，在热电偶所处位置的同一母线处的圆柱体上开有一小孔5，不锈钢片两端与电源导板6连接。

)
(f t t q
-=
α
图2为该试验装置及测试系统原理图。

风源为一箱式风洞，似一工作台，风机、稳压箱，收缩口都设置在箱体现人，入口处有一调节风门，风箱中央为空气出口，形成一有均匀流速的空气射流，试验段的风道3即放置在风口上。

圆柱体上的不锈钢片由硅整流电源1供给低压直流大电流，直接通电加热。

电路中串连一标准电阻5，用电位差计10经转换开关9测量5上的电压降，然后确定流过不锈钢片的电流量，不锈钢片两端的电压降亦用电位差计测量，由于受量程限制，测压电路中接入一分压箱8。

为了简化测量系统，测量片壁温t的热电偶，其参考点温度不用摄氏零度，而用空气流的温度t
f
，即热电偶的热端6设在片内的表面，而端7则放在空气流
中，所以热电偶反映的为片温度（壁温）与空气温度之差t-t
f 的热电势E（t-t
f
），
亦经过转换开关，用同一台电位差计量器。

空气流沿圆柱表面的压力由一倾斜式微压计11测量，空气来流速度由毕托管12也通过倾斜微压计测量。

将圆柱体旋转到不同角的位置，就可测出不同角度处柱表面的温度和空气压力。

四、实验步骤
打开风机调节风门在适当的位置，旋转圆柱体，使测温度和测压孔处在来流前驻点位置，将整流电源电压调节纽转至输出电压零位，然后接通电源，并逐步提高输出电压，对不锈钢片缓慢加热，为保证不致于损坏零件，又能达到足够的测量温度，不锈钢片表面温度大约控制在80℃以下，为此可用手不断抚摸不锈钢表面，然后逐步提高工作电压，至手无法再忍受为止。

待热稳定后开始测量，从前驻点（φ=0）到后驻点（φ=180℃）每隔5℃作为一测量点，用电位差计测出各点位置的温度电势值E(t-t
f
)，用微压计测量出
相应的气流沿表面压力P
j
，每旋转一角度需待稳定后再测量，测量可沿圆柱一半进行，但作为对称性检验可待一半测量完毕后，对另一半选几点复测，测量过程中加热电流和电压变动较小，可选测几组数据。

五、基本参数及有关计算式
圆柱形试件
直径D=48×10-3m；不锈钢片厚度δ=1×10-4m；不锈钢片宽b=40×10-3m；不锈钢片总长L=0.147m。

1、不锈钢片壁温t
所用测温热电偶为铜—康铜，以室温为参考温度时，热端温度在50～80℃范围内的变化，冷热端每1度温差的热电势输出可近似取0.043mV/℃，这对本实
验已足够准确，因此得到反映温差t-t
f 的热电势E(t-t
f
)mV即可求：
t-t f =E(t-t f )/0.043℃ 2、流过不锈钢片的电流量I
标准电阻为150A/75mV ，所以测得标准电阻上每1mV 电压降等于2A 电流流过，即：
I=2×U 1 （A ）
其中：U 1——标准电阻两端的电压降，mV 。

3、不锈钢片两端的电压降U ：
U=T ×U 2×10-3 （V ）
其中：T ——分压箱倍率T=201；
U 2——经分压箱后测得的电压降，mV 。

4、空气来流速度u
由毕托管测和气流动压头Δh ，毫米水柱，可按下式计算：
其中：ρ——空气密度，kg/m 3
5、局部对流换热系数
在下列假设下：
（1）电热功率均布在整个表面； （2）不计片面外界辐射散热的影响； （3）忽略片纵向导热的影响； 局部换热系数 ϕα 可按
w/(m 2·℃)
6、努谢特数 与雷诺数Re ： 定型尺寸用圆柱外径D ；
定型温度取 平均壁温度
用来流速度u 计算Re 值。

六、要求及注意事项要求：
1、预习实验指导书并绘制数据记录与整理所用的表格；
s
m h
u /81
.92∆⨯=
ρ
)(f t t b L I
U -⋅⋅⋅=ϕα2
2min
max t t t t t f +=
+ϕαv
ux uD D N =⋅=Re /λαϕϕϕux N
2、实验报告主要包括： 原始记录及有关计算； 绘制 线图； 分析 的变化规律及原因
对计算 时的几项假定分析讨论。

数据处理时，能否考虑辐射散热及片周向导热的影响，以提高所计算的 准
确度。

注意事项
1、实验前首先要了解装置各部件，熟悉仪表使用，特别是电位差计必须按操作步骤使用，以免损坏仪器；
2、试件壁温不许超出允许的范围，试验结束时必须先关加热电源，待试件冷却后再关风机。

图2 测定空气横掠圆柱体时局部换热系数的实验装置及测量系统原理图
1、低压直流电源
2、风源
3、实验段风道
4、平板试件
5、标准电阻
6、热电偶热端
7、热偶冷端
8、分压箱
9、转换开关 10、电位差 11、微压计 12、毕托管
ϕϕϕϕ～P ～N j ux ,ϕ
ϕ
αj ～P ϕαϕα。