空气横掠管束时换热的实验研究
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。
实验8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验
实验8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验一、实验目的1. 测算空气横掠单管时的平均换热系数h 。
2. 测算空气横掠单管时的实验准则方程式13Re Pr nNu C =⋅⋅。
3. 学习对流换热实验的测量方法。
二、实验原理 1对流换热的定义对流换热是指在温差存在时，流动的流体与固体壁面之间的热量传递过程。
2、牛顿冷却公式根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h 。
即：h=)(f W t t A Q-Q A t=⋅∆ w/m 2·K （8-1）式中：Q — 空气横掠单管时总的换热量， W ； A — 空气横掠单管时单管的表面积，m2;w t — 空气横掠单管时单管壁温 ℃；f t — 空气横掠单管时来流空气温度 ℃；t ∆— 壁面温度与来流空气温度平均温差，℃；3、影响h 的因素1）.对流的方式： 对流的方式有两种； （1）自然对流 （2）强迫对流 2）.流动的情况：流动方式有两种；一种为雷诺数Re<2200的层流，另一种为Re>10000的紊流。
Re — 雷诺数， Re vud =， 雷诺数Re 的物理定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数。
上述公式中，d —外管径（m ），u —流体在实验测试段中的流速（m/s ），v —流体的运动粘度（㎡/s ）。
3）.物体的物理性质： Pr — 普朗特数，Pr=αν= cpμ/k 其中α为热扩散率, v 为运动粘度, μ为动力粘度；cp 为等压比热容；k 为热导率； 普朗特数的定义是：运动粘度与导温系数之比 4).换面的形状和位置 5).流体集体的改变 相变换热 ：凝结与沸腾4、对流换热方程的一般表达方式强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动 强迫对流公式为(Re,Pr)Nu f =自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动。
自然对流公式为Nu=f （Gr ，Pr ） 1）.Re=vul =雷诺数Re 的定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数Re=UL/ν 。
空气横掠管束时的强迫对流传热实验
空气横掠管束时的强迫对流传热实验13级能动卓越唐萍南201323060314同组人员：方迅舟潘捷陈明松摘要：对管束的排列方式、空气来流速度的大小对换热系数的影响进行了实验验证。
并根据最小二乘法等数据处理方法整理了使用本系统测试的实验数据,对实验数据进行了分析与讨论。
以图表的形式清晰的表述了影响因素的不同带来的变化规律。
实验系统结构合理紧凑、实验精度较高。
通过此次实验，很好的帮助了学生了解换热系数在空气横掠管束时的主要影响因素，对以后的学习以及工作中从事换热方面的研究打下坚实的基础。
关键词：叉排，顺排，换热系数，来流速度目录一.实验原理 (1)1.1管束排列方式对换热系数的影响： (1)1.2来流速度对换热系数的影响： (2)二．实验装置及测量系统 (2)三．实验步骤 (3)四．实验数据计算方法 (4)五．试验结果分析 (6)5.1试验结果处理步骤（以50pa动压顺排方式为例） (6)5.1来流速度对换热系数的影响试验结果分析 (7)5.2管束排列方式对换热系数的影响验结果分析 (9)六.实验优缺点分析 (11)对流换热是传热学中最基本、最重要的研究领域之一，流体横掠管束管束时的对流换热其换热系数除受到管径影响外，还受到管距、管排数和排列方式的影响。
由于相邻圆管的影响，流体在管间的流动截面交叉减少，流体在管间交替加减速，管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加减速的程度，管束排列方式对换热系数h的影响比较明显。
本文将从管束的排列方式、空气来流速度的大小对换热系数的影响方面展开细致的讨论。
一.实验原理1.1管束排列方式对换热系数的影响：流体横掠管束时的对流传热与横掠单管时不同，除管径影响传热系数外，管距，管排数和排列方式也影响对流传热系数。
由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交叉的减少，流体在管间交替地加速和减速。
管距地大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。
从第二排起，后排管子受第一排尾部涡流的的影响。
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验1
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。
传热学实验2 空气横掠单管时平均换热系数的测定
空气横掠单管时平均换热系数的测定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试验。
本实验是测定空气横向掠过单圆管时的平均换热系数。
一、实验目的及要求1．了解实验装置、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法，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．了解空气横掠管子时的换热规律。
二、基本原理根据对流换热的分析，稳定受迫对流的换热规律可用下列准则关系式来表示： Pr)(Re,f Nu = （1）对于空气，温度变化范围又不大，上式中的普朗特数Pr 变化很小，可作为常数看待。
故上式简化为：(Re)f Nu = （2） 努谢尔特数：λαD Nu = 雷诺数： νuD =Re其中：α――空气横掠单管时的平均换热系数，)/(2C m W ︒；u ――来流空气的速度，s m /；D ――定型尺寸，取管子外径，m ；λ――空气的导热系数，)/(C m W ︒；ν――空气的运动粘度，s m /2要通过实验确定空气横向掠过单管时Nu 与Re 的关系，就要求实验中雷诺数Re 有较大范围的变化，才能保证求得的准则方程式的准确性。
改变雷诺数可以通过改变空气流速u 及管子直径D 来达到。
改变流速u 受风机压头及风量的限制。
本实验采用不同直径的管子作实验管，并在不同的空气速度条件下进行实验，就可以达到Re 较大范围的变化。
因此要对不同直径的管子进行实验，测量的基本量为：管口的空气流速、空气温度、管子表面的温度及管子表面散出的热量。
然后将全部实验结果整理在一起，以求得换热准则关系的具体表达式。
三、实验装置及测量系统实验装置本体是由风源和实验段构成。
风源为一箱式风洞，似一个工作台。
风机、稳压箱、收缩口都设置在箱体内。
风箱中央为空气出风口，形成一有均匀流速的空气射流。
实验段的风道直接放置在出风口上。
实验五 空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定
实验五 空气橫掠圆柱体时局部换热系数的测定一、实验目的1.了解实验装置的原理、测试系统及测试方法。
2.通过对实测数据的整理，了解局部换热系数的变化规律。
3.分析讨论局部换热系数的变化原因，以加深对对流换热现象的认识。
二、实验原理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。
本实验通过测量空气橫掠表面热流密度为恒定值的圆柱体时的局部换热系数来认识这一现象。
按定义，局部换热系数ϕα由下式确定fq t t ϕϕϕα=- (w/m 2K)式中，q ϕ—物体表面的热流密度，W/m 2；t ϕ—对应于某一圆周角的表面温度，℃； f t —流体主流温度，℃。
当热流密度为恒定值的圆柱体表面被恒温空气橫掠时，其表面温度沿圆周的变化可直接反映出表面换热系数沿圆周角的变化。
三、实验设备本实验是由一风洞和实验段所构成。
图1为实验段的结构简图。
在有机玻璃风道1的中间橫置一可旋转的胶木圆柱体2，其中段沿周向包覆一层不锈片3，片内表面设置了一对铜－康铜热电偶4，不锈钢片两端与电源导板6连接。
图2 为本实验装置及测量系统的原理图。
风源2为一箱式风洞。
风机、稳压箱、收缩口都设置在箱内。
空气入口处有一调节风门。
风箱顶部中央为空气出口，从中流出的空气形成了一段均匀流速的空气射流，实验段的风道3即放置在这出风口上。
1-风道；2－胶木圆柱体；３－不锈钢片；４－热电偶；５－电源导板图1 实验段的结构简图圆柱体上的不锈钢片被由硅整流电源1供给低电压大电流直流电直接通电加热。
电路中串联一标准电阻5。
用数字毫伏表10经转换开关9测量电阻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也用电位差计测量，由于受量程的限制，测压电路中接入一个分压箱8。
为了简化测量系统，测量圆柱体表面温度t ϕ的热电偶，其参考点的温度不用摄氏零度，而是用气流的温度f t 做参考，即热电偶的热端6设在不锈钢片的内表面上，冷端7则放在空气流中。
空气横掠单管强迫对流的换热实验报告
空气横掠单管强迫对流的换热实验报告实验目的：1、了解强迫对流换热在工业上应用2、熟悉实验装置和控制方法3、测定空气横掠单管时的温度分布4、观察水中鱼儿欢快游动，体会气泡产生过程及数量。
5、通过对比计算得出影响水中空化现象发展的因素实验原理：根据伯努利方程推导，物质加热使其从液态变为汽态时所需要的吸收或放出的热量Q= cm△H（ t- t0）,即可由焓变公式 E= cRT 求出该物质汽化的焓变，由该式再代入上式即可得到强迫对流换热系数，从而有效地提高换热效率。
实验内容：一．探究温差条件下强迫对流换热过程1.实验前准备；单管换热器(实验过程中将空气抽成真空)、氧气、氢气(制氧气、压缩机制氢气)、饱和食盐水、湿润的玻璃片、温度计等2.预习要点:以单组同种液体传递相同热量 q 与单位时间内液体在单位截面积的管壁上所获得的对流传热系数之比作为本实验的探究问题，选取合适的对照物(如氢气、干燥空气)；明确传热量 q 与对流传热系数的关系，建立数学模型并设计简单的对照实验进行检验，考虑自变量与无关变量的引入。
二．探究空气横掠单管强迫对流换热过程1.实验步骤：按教材方案①安装单管换热器、通入适量纯净空气、设置水槽及采样管口，固定好管子，打开仪器电源，调节控制电路各个参数至最佳状态，然后记录实验数据;按教材方案②添加混合气体，连接好氧气采样管，调节氧气压力至0.05MPa，记录实验数据，改善反应环境。
经典试验：经典试验，传热速率达1052.6KJ/ s，约为真空对流传热速率3倍。
三．操作注意事项：(1)采样管插入水中长度不能太短，否则易造成被冷却液冲刷而腐蚀损坏，且易受溶解于水的杂质堵塞;必须小心清洗干净;为防止因过大负荷导致熔丝烧断而使供电线路超负荷而烧毁，在强制对流换热实验中切忌用水作冷却介质，故建议采用两种方法：一是保持供电正常，利用另外一台功率较大的发电机来提供空气泵运转的动力;二是直接向密闭的聚四氟乙烯填料函喷射饱和水。
空气横掠管束时换热的实验研究
空气横掠管束时换热的实验研究能动建环08-01班吕林200826060118摘要流体横掠管束时的对流传热与横掠单管时不同，除管径影响传热系数外，管距、管排数和排列方式也影响对流传热系数。
由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交叉地减少，流体在管间交替地加速和减速。
管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。
在保持风速不变，功率改变时，随Ｐr w增加换热系数减少，管束排列方式对h的影响比较明显。
关键词：横掠光管叉排顺排换热系数Ｎu数Ｒe数一、实验原理在空气横掠管束时，从第二排起，后排管子都处于前排管子的尾流中。
在尾流涡旋的作用下，后排管子的对流传热系数h比前排高，也就是说，第二排管子受第一排尾部涡流的影响，h2＞h1；第三排管子受第二排尾部涡流影响，而且由于这种涡流经第一排和第二排管束的共同作用，扰动更强烈，所以h3＞h2。
同样＞h3…，但经过几h排管子以后扰动基本稳定，h z几乎不再变化。
管束排列方式对h的影响比较明显。
叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲流道中流动，顺牌时则流道相对平直。
无论是叉排还是顺排，第一排的管子具有流体流过单管时的流动特性和欢乐特征。
但从第二排开始，顺排每排管子正对来流的一面处于前排管子的漩涡区，所受的冲击变弱，流动方向较为稳定。
而叉排时，由于流动方向的不断改变，虽然流动阻力大，但混合较顺排为佳。
一般来说，叉排的平均换热系数要比顺排的时候大。
而当R e很大时，由于强烈的漩涡区的扰动，顺排管束的平均换热系数有可能超过叉排，而且在管间距较大时更为明显。
二、实验装置及测量系统1、电源开关2、仪表开关3、交流供电开关4、交流调压旋钮5、直流大功率电源6、差压表7、交流功率表8、电流表9、电压表10、十六路温度巡检仪11、四路温度巡检仪12、毕托管13、风道14、热电偶（测来流温）15、热电偶（测管壁温）16、管束试件（顺、叉排）17、交流0~220V（连续可调）供电电极18、变频器，实验台采用的排列方式和尺寸如图。
气体横掠单管表面对流换热实验
创新实验课流体力学多尺度流动创新实验实验报告姓名：学院：学号：实验名称：气体横掠单管表面对流换热系数实验气体横掠单管表面对流换热一、思考题1、答：（1）流动状态的影响层流底层薄，动力消耗大。
（2）强制对流和自然对流的影响强制对流：外部机械作功,一般u较大，故较大。
自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程,一般u较小，也较小。
（3）流体物性的影响的影响：的影响：的影响：单位体积流体的热容量大，则较大的影响:定性温度：各种表面传热系数所用数据的特征温度。
（5）传热面条件的影响不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。
定型尺寸：对表面传热系数有决定性影响的特征尺寸。
（6）相变化的影响一般情况下，有相变化时表面传热系数较大，机理各不相同，复杂。
2、答：壁面温度温度稳定测得的数据减小了导热对对流换热的影响，进而减小实验误差，有利于准确的测出对流换热系数，得到回归准则方程。
二、数据整理根据每次实验工况所测数据计算整理得出相应的Nu、Re的值，连同其它组的实验数据，在双对数坐标纸上，以Nu为纵坐标，Re 为横坐标。
将各个工况点标示出。
它们的规律可以近似的用一条直线表示：则Nu、Re之间的关系可近似表示成幂函数形式：．根据实验数据用最小二乘法或作图方法得出上述关联式中的C和n的值。
三、实验收获在本次实验中，我加深了流体力学和传热传质相关知识的理解，掌握了相关知识的应用，很建议在学习传热学的时候可以上这门实验课，对于知识的掌握和应用有很好的帮助。
清华传热学 空气横掠单圆管时强迫对流换热实验指示书
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验一、实验目的与任务1.了解对流放热实验装置，熟悉管壁温度及电加热功率的测量技术，掌握利用毕托管-微压差变送器测量空气流速的方法。
2.通过实验测定空气横掠单管时的对流换热平均表面传热系数h。
3.通过实验数据的整理，掌握强迫对流换热实验数据整理的方法。
4.在Nu-Re对数坐标图上给出空气强迫对流横掠单圆管时换热的实验点，结合与已有关系式的比较，给出对本实验结果的讨论。
二、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/λ（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t m=(t f+t w)/2的函数，其中t w 为管外壁温，t f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，Q a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=πDL，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 r=hF(t w－t f)+εC0F(T w4－T f4)×10－8（5）其中，ε为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数C0=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：h=[Q/F－εC0(T w4－T f4)×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t w、来流空气的温度t f，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。
清华传热学 空气横掠单圆管时自然对流换热实验
空气横掠单圆管时自然对流换热实验一、实验目的1.测定水平圆管加热时周围空气自然对流换热平均表面传热系数h。
2.根据自然对流放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。
3.通过实验加深对相似理论基本内容的理解。
二、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：Nu=C(GrPr)n(1) 式中，Nu，努谢尔特准则：Nu=hD/λ(2) Gr，格拉晓夫准则：Gr=gα△tD3/v2(3) Pr，普朗特准则，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t w和环境空气温度t f的平均值t m，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/T m。
g是重力加速度，D是管子直径，△t是远离管壁的空气温度差，△t=t w－t f，t f为空气温度，t w为管外壁温。
关键的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=Q a/F△t (4) 式中，Q a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，则管的实际传出热量为对流换热和辐射换热量之和:Q=Q a+Q r=hF(t w－t f)+εC0F(T w4－T f4)×10－8式中，ε为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数C0=5.67W·m－2·K－4。
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：h=[Q/F－εC0(T w4－T f4)×10－8]/ (t w－t f) (5)由式（5），对给定外径为D和长度为L表面黑度ε确定的水平实验管，只要测量管的实际传出热量Q、管外壁温t w、远离壁面约1米处空气的温度t f、就可以确定水平管外表面对流换热表面传热系数h。
空气横掠圆管强迫对流换热实验的研究
热量 ；Ｆ为 管 的外 表 面 积 ，Ｆ＝霄 ，Ｌ为 圆管 的 有效 长度 ；ｔ为圆管壁 温度 ；ｔ ｗ ｆ 为来 流 空气 的温 度 。 考虑 到 圆管外 表面与 周 围空气 进行对 流换 热 的同时 与周 围环 境 间 还存 在 辐 射 换 热 ，则 对 流 换 热 量 Ｑ
ｈ ＝０ ／ （ 一ｔ Ｆ ｔ ｆ ）， （） ４ 式 （ ） 中：Ｑ 为 圆管外表 面与 周 围空气 的对流 换 ４
行了比较。实验系统结构合理紧凑、操作方便 ， 具 有较高的可靠性 ，实验精度较高，较好地满足了相 关实验 教学 的需要 。
本 实验 台的建 设也是 清华 大学 热能工 程系 热工 教学实 验室在 学校 ９５经 费支持 下进行 的 系列教学 ８
并根据相似原理整理了使用本 系统测试 的实验数据 ，对实验数 据进行 了分析 与讨 论。实验 系统结 构合理 紧 凑 、实验精度较高 ，能够较好地满足实验与教学的需要 。
关键词 ：换热 ；圆管 ；强迫对流 ；实验研 究 中图分类号 ： Ｋ ２ ；Ｔ １４ Ｔ １１ Ｋ２ 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： ０２４ ５ （ ０８ ０ － ０ ０ ０ １０ －９ ６ ２ ０ ）５ ０ ５ － ３
Ｎ ＝ Ｃ Ｒ ｕ ｅ，
（） １
式 （ ） 中，努 谢尔 特数 Ｎ １ ｕ和 雷诺 数 可 分别 表
示 为
Ｎｕ＝ｈ ／ ， ＤＡ Ｒ ｅ＝ｕ ／，， Ｄ ￣ （） ２ （） ３
式 中 ，Ａ为空气 导 热 系数 ， 为 空 气 流 速 ， 为 空 气粘 度 系数 ，Ｄ为 圆管 外径 ， 为平 均表 面换 热 系 数 。 由下式得 到 ：
ｔｂ ｓａ ｅｉ ｔ － ｕ ｅ ｙ ｎｒ ｏ
空气横掠单管强迫对流的换热实验-2013(1)
实验段风道 13 由有机玻璃制成。试验件 14 为不锈钢薄壁管，横 置于风道中间。为了保证管子加热测量及管壁温度测量的准确性， 管子用低压直流电直接通电加热，管子两端经接座与电源导板 15 连 接，并易于更换不同直径的试验管。为了准确测定试验管上的加热 功率，在离管端一定距离处有两个电压测点 a、b，以排除管子两端 的影响。铜-康铜电偶 16 设在管内，在绝热条件下准确测出管内壁 温度，从而确定管外壁温度。 试验管加热用的低压大功率直流电源 5 供给，输出电流（压）可改 变对管子的加热功率，电路中串联一标准电阻 18。用直流电压表 9 测量电阻 18 上的电压降，然后确定流过单管试件的电流量。试件两 测压点 a、b 间的电压亦用直流电压表测量。 为了简化测量系统，测量管内壁温度 tw 的热电偶，其参考点温度不 是摄氏零度，而是来流空气温度 tf。即热电偶的热端 16 设在管内， 冷端 17 则放在风道空气中。所以热电偶反映的为管内壁温度与空气 温度之差（tw-tf）。 风道上装有比托管 12，通过差压变送器由压力表直接读数，测出试 验段气流的动压△P，以确定试验段中气流的速度 v。 四、实验步骤
可作为常数看待，故式(6-2-4)化简为：ຫໍສະໝຸດ 式中努谢尔特数雷诺数
Nu
Re
Nu f (Re)
hD
vD
h —空气横掠单管时的平均换热系数，[W/m2℃]；
v —空气来流速度，[m/s]；
D —定型尺寸，取管子外径，[m]； —空气的导热系数，[W/m℃]； —空气的运动粘度，[m2/s]。
(W/m2℃)
(6-2-1) (6-2-2)
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：
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
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。
空气横掠单管外换热系数的测定
实验二、空气横掠单圆管外换热系数的测定一、试验目的1、了解对流换热的实验研究方法；2、测定空气横向流过单管表面时的平均换热系数α,并将试验数据整理成准则方成式;3、学习测量风速、温度、热量的基本技能. 二、试验原理根据牛顿公式,壁面平均对流换热系数为 α=()c f Q t t Fω- W/m 2·℃ （1）式中： t ω：实验管壁平均温度，℃； t f ：实验前后流体平均温度，℃；F ：管壁换热面积，m 2； Q c ：对流换热量，W根据相似理论，流体受迫外掠物体时的换热系数α与流速、物体几何形状及尺寸。
流体物性间的关系可用下列准则方程式描述：Nu=f （Re ，Pr ）实验研究表明，流体横向流过单管表面时，一般可将上式整理成下列具体的指数形式：Nu=C nme r R P （2）式中：c 、n 、m 均为常数，由实验确定； Nu ：努谢尔特准则，Nu=dαλ； Re ：雷诺准则，Re=dων； Pr ：普朗特准则，Pr=aν。
上述各准则中： d —实验管外径，m ；ω—流体流过实验管最窄处流速，m ‘s ；λ—流体导热系数，W/m ·℃；a —流体导温系数，m 2/s ；ν—流体运动粘度，m 2/s 。
本实验中，建议各物性参数采用边界层平均温度t m =12（t m +t f ） 作为定性温度，但应注意，有些文献采用t f 作为定性温度来整理实验数据。
鉴于本实验中流体为空气，p r 数可作为常数处理，故（2）式写成Nu=C ne R （3）所以，本实验的任务在于确定C 和n 的数值，为此需测定Rc 和Nu 准则中的各量，即a 、ω、d 、λ、ν等。
为了确定α值，必须测量Q 、t ω、t f 及管长1等。
三、实验装置本对流实验在实验风洞中进行。
实验风洞主要由风洞本体，风机、实验管及其电加热器、水银温度计、倾斜式微压计、毕托管、电位差计、电流表、电压表以及调压变压器等组成，如图一所示。
实验二 空气横掠单圆管时受迫对流换热
实验三 空气横掠单圆管时受迫对流换热一、 目的了解空气横掠单圆管时受迫对流的换热规律。
测定空气横掠单管时平均换热系数，并整理成准则关系式Nu =CRe n 的形式。
二、 原理根据对流换热的分析，流体横掠单管时的换热规律可以用下列准则关系式来表示：Nu m = f (Re ,Pr )对于空气，温度变化范围不大，上式中的普朗特数Pr 的变化很小，可作为常数看待。
故上式可简化为：n m m C Nu Re = （1）如圆管表面具有的温度为t w 而空气温度为t f ，根据牛顿冷却公式，在稳定传热情况下，空气横向掠过圆管所带走的热量为()f w t t hF Q -=如果在试验中能够测定圆管的表面温度t w ，空气温度t f 以及圆管表面所散出的热量Q ，则平均换热系数就可以用下列公式求出： h =Q/F(t w -t f )通过试验要来确定空气横掠单圆管的换热准则关系式Nu =f (Re )。
为使实验中Re 数有较大的变动，则可通过改变空气流速w 和管子直径d 来达到。
为此在本实验中，采用了不同直径的管子在不同的空气速度条件下进行试验，从而可以求得不同Re 数下，不同的h 值。
根据定性温度t m =(t f +t w )/2可以把这些h 整理成许多无因次准则Nu m ，此地Nu m =hd o /λm ，Re=wd o /v m ，其中空气物性参数可查表。
然后将这些准则数按线性回归法整理成式(1)形式的准则关系式。
三、实验装置本试验装置的由电锅炉、风机和传热管和凝结液位计组成。
风机出口处安装有均流格珊，以保证试验段中有均匀的空气流速。
传热管横向安置在风道试验段中间。
管内通过的蒸汽为饱和蒸汽，可保证管壁温度为一恒定值。
图3-1 测定空气横掠单圆管时平均换热系数的试验装置及测量系统调整电锅炉的出口蒸汽压力可改变传热管的表面温度。
试验段中的空气流速可借助源吸入口处的调节风门来调节。
试验管所处风道中装有毕托管。
空气横掠单管时平均换热系数的测定
空气横掠单管时平均换热系数的测定一、实验目的1． 测定空气横掠单管时的平均换热系数，并将数据整理成准则方程式。
2． 了解对流换热实验的方法，学会用相似理论处理实验数据的能力。
3． 学习风速、温度、加热功率测量的基本技能。
二．实验原理根据对流换热的分析，受迫流动的换热规律可用下列准则关系式表示Nu=f(Re, Pr) (1)对于空气，普朗特数可视为常数。
故（1）式又简化为 Nu=f(Re) (2)努谢尔特数 Nu=λhd(3)雷诺数 Re=υud(4) 其中： h — 空气横掠单管时的平均换热系数，（w/m 2·K ） u — 来流空气的速度， （m/s ） λ — 空气的导热系数， （w/m ·K ） υ — 空气的运动粘度， （m 2/s ）要通过实验确定空气横掠单管时Nu 与Re 的关系，就需要测定不同流速以及不同管子直径d 时的换热系数h 。
因此，本实验中要测量的基本量为管子所处的空气流速、空气温度、管壁温度及管子的加热量。
三、实验设备实验系统见图1。
实验本体有风箱1、风机2、有机玻璃风道3组成。
试验管为薄壁不锈钢圆管4，安装在有机玻璃风道实验段中间。
采用低电压大电流的直流电对试验管直接加热。
低压大电流直流电由硅整流电源5供给。
调整硅整流电源可改变加热功率。
为使雷诺数Re 有较大的变化范围，实验时采用同时改变空气流速和管子直径的方法。
空气流速u 通过调节风机入口处的调风门6来改变。
管子直径采用更换不同直径的试验管改变。
四．测试方法及实验步骤在试验管处风道中装有毕脱管7，通过倾斜式微压计8测出实验段中空气来流的动压△H ，然后计算空气流速u 。
为了准确测定试验管上的加热功率并排除管子两端的影响，在距离管端一定距离处焊有二电压测点a 、b ，经过分压箱9和转换开关10，用电位差计11准确测定该二电压测点处的电压降U 。
试验管的加热回路中串联了一标准电阻12，电流流过标准电阻时的电压降△U 经转换开关10和电位差计11测量，然后确定流过试验管的工作电流I 。
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空气横掠管束时换热的实验研究能动建环08-01班吕林200826060118摘要流体横掠管束时的对流传热与横掠单管时不同，除管径影响传热系数外，管距、管排数和排列方式也影响对流传热系数。
由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交叉地减少，流体在管间交替地加速和减速。
管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。
在保持风速不变，功率改变时，随Ｐr w增加换热系数减少，管束排列方式对h的影响比较明显。
关键词：横掠光管叉排顺排换热系数Ｎu数Ｒe数一、实验原理在空气横掠管束时，从第二排起，后排管子都处于前排管子的尾流中。
在尾流涡旋的作用下，后排管子的对流传热系数h比前排高，也就是说，第二排管子受第一排尾部涡流的影响，h2＞h1；第三排管子受第二排尾部涡流影响，而且由于这种涡流经第一排和第二排管束的共同作用，扰动更强烈，所以h3＞h2。
同样＞h3…，但经过几h排管子以后扰动基本稳定，h z几乎不再变化。
管束排列方式对h的影响比较明显。
叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲流道中流动，顺牌时则流道相对平直。
无论是叉排还是顺排，第一排的管子具有流体流过单管时的流动特性和欢乐特征。
但从第二排开始，顺排每排管子正对来流的一面处于前排管子的漩涡区，所受的冲击变弱，流动方向较为稳定。
而叉排时，由于流动方向的不断改变，虽然流动阻力大，但混合较顺排为佳。
一般来说，叉排的平均换热系数要比顺排的时候大。
而当R e很大时，由于强烈的漩涡区的扰动，顺排管束的平均换热系数有可能超过叉排，而且在管间距较大时更为明显。
二、实验装置及测量系统1、电源开关2、仪表开关3、交流供电开关4、交流调压旋钮5、直流大功率电源6、差压表7、交流功率表8、电流表9、电压表10、十六路温度巡检仪11、四路温度巡检仪12、毕托管13、风道14、热电偶（测来流温）15、热电偶（测管壁温）16、管束试件（顺、叉排）17、交流0~220V（连续可调）供电电极18、变频器，实验台采用的排列方式和尺寸如图。
三、实验步骤1、连接并检查所有线路和设备，在仪表正常工作后，关闭直流供电电源！将交流供电源开关打开，调节旋纽先转至零位。
2、然后点击变频器的RUN/STOP 键，调节变频器使表头显示为10.2Hz 左右。
将交流电调节旋纽转至适当位置，注意观察控制箱面板上的功率表，并逐步提高输出功率，对管束缓慢加热。
为避免损坏配件，又能达到足够的测温准确度，加热功率大小的调整以使壁面温度控制在80℃以下为原则。
待设备参数稳定后，可读取第一组试验数据。
3、保持风机频率不变，巡检仪上各温度显示基本稳定后，再将加热功率定值递增，每改变一次待稳定后可测到一组数据。
试验时对每一种排列的管子，空气流速可调整4个工况以上，都须保持风机频率不变。
温度的高低应根据管子排列不同及加热功率适当调整，保持管壁与空气来流有适当的温差即可。
4、同时观察毕托管测速风压显示。
调压、调频应配合调整直到系统稳定并便于读取温度、风压、直流电流、直流电压值。
四、 实验数据的计算与整理流体横掠管束时的平均对流传热系数可按下式计算：1,max 2Pr Re Pr ()()Pr fm nk p uf f f z w sN c c c s ϕ= （1） 式中：下脚标f —表示定性温度为,f t 按来流温度计算。
空气来流温度t f 用水银温度计测量。
Pr ——普朗特数，上式适用于0.7＜Pr f 500.1s ——横向节距，m ；2s ——纵向节距，m,max Re f ——以流体平均温度下管间最大流速计算雷诺数， ,max 0,maxRe f f fd υν=。
其中,max f υ为流体平均温度下管间最大流速，m/s ， 0d ——为管子外径，m 。
c, m, n, k, p ——系数和指数z c ——管排修正系数；c ϕ ——流体斜向冲刷管束时的修正系数,max f υ——的计算比较麻烦。
如已知未进入管束时的流体速度0υ，则在流体入口温度下的最大流速为： 顺排时： ds us -=11max ν （2）差排时max υ为d s us -11和)(221d s us -中的最大者，其中'2s =管直径D=10mm ，管长为120 mm 。
1.空气来流速度u098.1514205.181.922=⨯⨯=∆=p gu ρm/s (3) 其中：p ∆ – 比托管测得空气的动压， Pa ，ρ–空气密度 1.205Kg/m 32.雷诺数Re 顺排： s m d s us /196.3001.002.002.0098.1511max =-⨯=-=ν 56max 10310006.101.0196.30Re ⨯=⨯⨯==-vdν （4-1） 叉排：s m d s us /588.9001.0012.0012.0098.1511max =-⨯=-=ν 56max 10910006.101.0588.90Re ⨯=⨯⨯==-vdν （4-2） 3.管壁温度t w由铜-康铜热电偶测得的热电势E （t 1，t f ），可按附录A 确定内壁温度t 1。
试验中，由装在管内壁的热电偶测量管壁温度，直接由巡检仪读出。
由于试验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度 t 1大于外壁温度t w （根据管内温度可以计算外壁温度t w 。
由于所用管壁很薄，仅0.2-0.3mm ，且空气对外管的换热系数较小，可近似认为t w = t 1。
4.加载实验管两端的电功率由控制面板上的功率表显示，显示功率为总加热功率，每一根加热管功率Q 可由总功率除以加热管根数获得。
5.气流过管外壁时的平均换热系数h=()w f QA t t - W/(m ℃) （5）其中：A--试验管外表面积；Ａ＝π*d*l=3.14×0.01×0.12＝0.00377m 3 6.换热准则方程式将计算得到的某一流速下的每一根加热管的对流传热系数求和，再除以总根数，可得到管排的平均对流传热系数，如十八根管子的平均换热系数： 18181∑=ihh根据每一试验工况所测得的值，可计算出相应的N u 、Pr w 及h 值。
7．数据处理 顺排时，Ｐr f ＝0.703叉排时，Ｐr＝0.703f8．关系图由（1）式可以看出N u 是关于R e 、Pr f 、Pr w 及修正系数c 的函数，实验中由于风速不变，功率Q 改变，故雷偌数不变，空气来流温度不变，同样Pr f 不变，所以N u 跟在双对数坐标纸上，以N u 为纵轴，Pr w 的倒数为横轴，将各工况点出，它们的规律可近似地用一直线表示：即：lgN u =a+lg （1/Pr w ） (6-1)则N u 和Pr w 之间的关系可近似表示为一指数方程的形式：N u = C （1/Pr w ）k (6-2)其中： a=lgC如用：x=lg(1/Pr w ), y=lgN u , 则可表示成： y=a+kx根据最小二乘法原理，系数a 及k 可按下式计算：222()xy x y x a x n x-=-∑∑∑∑∑∑ k=22()x y n xy x n x--∑∑∑∑∑ 其中： n - 试验点的数目xy = (lg(1/Pr w ))( lgN u ) x 2 = (lg （1/Pr w ）)2从图中可以得出：lg(Nu)=0.25lg(1/Prw)+2.7661。
叉排时：同理可以得出：lg(Nu)=0.25lg(1/Prw)+3.1616.同时，由公式λhdN u =得换热系数h 与N u 成线性关系,从实验中可以得到以下关系图：同样通过最小乘法可以得到：52.699002.0+=f Nu h 。
9．实验结果分析从实验结果可看出，顺排与叉排的Nu f—１/Pr w曲线比较接近，都是Ｎu f随着Pr w数的增加而减少，这说明在相同工况的条件下，叉排管束所表现的换热系数要比顺排的高，但同时，从换热系数h与Ｎu数关系图可以看出叉排时比顺排要好的多，其比率为两个曲线的斜率的比值，也就是在其它条件相同时，随着Ｎu数的增加，叉排时换热系数增加得要快，从以上实验中可初步判断其原因可能是由于换热管的约束，叉排热交换器管后漩涡比顺排热交换器后涡旋小很多，所以叉排换热器的换热能力高于顺排换热器。
但是叉排不宜安装，容易积灰且不易清洗，而顺排相比较则好得多。
一般地，换热器的管束排列形式一般都是叉排，顺排非常少见，由于顺排形式的套片式换热器通常比叉排的流动阻力更小，因而对一些流动阻力有限制的场合，可以考虑使用顺排形式的套片式换热器。
五、实验研究优缺点本实验正确找到了研究加热功率对换热系数的影响的方法，将实验误差降低到了最少，有力的证明了理论的正确性，但是，没有研究空气在管束中的速度变化对换热系数的影响，高速度的空气特别是固、液、气两相流体冲刷时可能会影响传热效率及安全因素，而雷诺数与换热效率也有一定的关系有待于确定。
参考文献：1、杨世铭《传热学》第四版，高等教育出版社，2006年8月；2、《热工理论基础实验》，长沙理工大学，2008年3月；3、葛新石《传热和介质基本原理》，化学工业出版社，2009年；4、孔珑《流体力学1》，高等教育出版社，北京，2000年。