圆管自然对流计算和模拟

合集下载

水平圆管外表面空气自然对流换热实验

水平圆管外表面空气对流换热实验李刚2007010526 精72一、实验目的与任务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，一般可以得到如下指数形式的准则关联式：式中，Nu，努谢尔特准则：Gr，格拉晓夫准则：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可以根据实验管壁温度tw和环境温度tf的平均值tm，查表得到。

空气的容积膨胀系数α取理想气体的膨胀系数，α=1/Tm。

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=tw-tf。

由对流换热表面传热系数h的定义：式中，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, 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热量之和：式中，为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数C O=5.67W·m-2·K-4。

这里假设环境温度为空气温度。

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：上式中，对给定外径D和长度L表面黑度ε确定的水平实验管，只要测定管的实际传出热量Q，管外壁温tw，远离壁面约1m处空气温度tf，就可以确定水平管外表面对流换热表面传热系数h。

要确定C和n，还要求实验的Nu-GrPr的数据足够多，GrPr的变化范围足够大。

三、数据处理原始数据如下所示：圆管编号：2直径D=38.0mm，长度L=1190mm，表面黑度ε=0.08，标准电阻R=0.01Ω求平均值：U(tw)=3.421mV，U(tf)=0.733mV，U I =13.706mV，U V =60.929V查表可得，tw=81.6℃，tf=18.6℃则tm=(tw+tf)/2=50.1℃，△t=63℃，α=1/(273+50.1)=3.095×10-3K-1Q=I·U= U I·U V /R=83.51W查表得物性参数：ρ=1.093kg/m3，Cp=1.005kJ/(kg·K)，λ=2.83×10-2W/(m·K)，v=17.95×10-6m2/s，Pr=0.698 又由于α=/(273+50.1)=3.095×10-3K-1，D=38.0mm，L=1190mm，ε=0.08所以Gr=（g·α·△t·D3）/v2=325424，Ra= Gr·Pr=227146h=[ Q/F-εC o F(T w4-T f4)×10-8]/(t w-t f)=8.713 W/(m2·K)Nu=h·D/λ=11.7实验其它组的数据整理如下：各组数据处理中均认为tf=18.6℃各实验管的设备参数如下：根据上述数据计算各实验圆管表面流场的Nu值，如下表所示：拟合lg(Nu)- lg(Gr·Pr)曲线，如下图所示：从上图可得lg(Nu)=－0.106+0.2163×lg(Gr·Pr)则C=10－0.106=0.7834，n=0.2163Nu=0.7834(Gr·Pr) 0.2163四、误差分析把实验分析得到的数据和参考书给出的水平圆管空气自热换热对流换热经验准则方程式进行比较分析。

水平圆管外表面空气自然对流换热实验指导书[201211版]

三、实验系统
实验系统主要由本体系统、电加热测量系统和测温系统三部分组成。 1. 本体系统本体系统是长 4.6 米，宽 4.1 米，高 5.6 米的封闭房间内的 8 根不同直径的实验管（图 1）。实验管表面镀铬，外壁布置有若干测温热电偶，内部装有电加热器。实验圆管水平架离地面不小于 1.1 米。各实验管加热功率以及各种温度信号通过导线传输到隔壁的控制室测
Nu 0.48(Gr Pr)0.25 (10 4 Gr Pr 10 7 ) , Nu 0.85(Gr Pr)0.188 (10 2 Gr Pr 10 4 ) 进行比较，给出必要分析。
4. 分析实验偏差及其产生原因。 5. 完成思考题：（1）计算本实验中，管壁外表面辐射换热对自然对流对流换热系数计算的影响，分别计算考虑辐射换热和不考虑辐射换热两种情况下的对流换热系数，并进行比较。（2）举例说明减少或避免自然对流换热的措施，并列举实例。注意事项： 1. 首先了解整个实验装置的各个部分，并熟悉仪表的使用方法，特别是控制面板和高精度万用表 HP34401A 必须按照操作步骤使用，以免损坏仪器。 2. 为确保管壁温度不超过允许的范围，应该注意操作顺序。实验结束时，应先关闭电源和高精度万用表 HP34401A，然后切断各开关。
6. 抄录其它三组的实验结果：管的编号，加热功率 Q,平均温度 tw，空气温度 tf 和对流换
热表面传热系数 h，以便课后完成最终的实验报告。
五、数据整理
1. 壁面平均温度 tw，空气温度 tf 壁面的平均温度近似地可以按算术平均计算。为简便，可以先计算实验管的平均热电势，然后在温度-铜-康铜热电势专用数表上通过线性内插得到实验管的壁面平均温度。空气温度同样方法给出。 2. 管内电加热功率 Q 电加热所产生的热流量为 Q U U R / R 式中，U 为直流稳压电源输出电压，UR 为标准电阻分压，R 的大小如表 1 所示。 3．对流换热表面传热系数 h 由式（5）确定。 3. 准则数及准则方程的确定定性温度取壁面和空气算术平均温度， tm=(tw+tf)/2。，v，以及 Pr 直接由定性温度在相应数表线性内插得到，Nu 准则数和 Gr 准则数由式（2）和（3）计算确定。结合其它三组所整理出来的相关数据，可得到 8 组 Nu- GrPr 数据。然后以 Nu 数为纵坐标，以 GrPr 数为横坐标，将这两组数据影射到以 10 为底的对数坐

自然对流换热试验

自然对流换热实验报告一、实验目的（1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。

（2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。

（3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出Pr Gr 的范围。

二、实验原理对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。

即r h c Φ-Φ=Φ （W ）式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛---=4f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UIh ε[]）（K /W ∙m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，）（420K m /W 67.5∙=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2∙m 。

当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。

根据相似理论，自然对流换热的准则为Pr),(Gr f Nr =在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即n Gr c Nr Pr)(=式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。

为了确定上述关系式的具体形式，根据测量数据计算结果求得努塞尔准则Nu 、格拉晓夫准则Gr 和普朗特准则Pr ，即λhDNu =； 23υβtD g Gr ∆=； a υ=Pr式中：Pr 、β（空气的体胀系数，1/K ）、υ（空气的运动黏度，m 2/s ）等、λ（空气的导热系数，℃）（∙m /W ）等物性参数由定性温度）（2fw t t +从气体的热物理性质表查取；2/8.9s m g =；D 为圆管壁面定型尺寸，m ；f w t t t -=∆，℃。

自然对流换热试验

自然对流换热实验报告一、实验目的（1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。

（2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。

二、实验原理对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。

圆管流体计算

管道流量计算1）流体在水平圆管中作层流运动时，其体积流量Q与管子两端的压强差Δp，管的半径r，长度L,以及流体的粘滞系数η有以下关系：Q=π·r4·Δp/（8ηL）式中：Q-流量，单位r-管的半径，单位Δp -管两端的压力差η—流体粘度L—管的长度2）液体流速与管径、流量的关系式：Q=V·r2·3。

14×3600;D=管径=2×2×；P=RL；R=（λ/D)*(ν^2*γ/2g）。

Q-流量（m3/h）；ν-流速（m/s)；r—管道半径(m）；D-管道直径（m）;P-压力(kg/m2)；R—沿程摩擦阻力（kg/m2)；L-管道长度（m)；g-重力加速度=9.8.压力可以换算成Pa,方法如下：1帕=1/9。

81(kg/m2)3）对于短管道：（局部阻力和流速水头不能忽略不计)流量Q=[（π/4）d2·√（1+λL/d+ζ)]·√(2gH)式中：Q—-流量,（m3/s)；Π—-圆周率；d-—管内径（m),L—-管道长度（m）；g-—重力加速度（m/s^2）；H——管道两端水头差（m）；Λ——管道的沿程阻力系数(无单位）；Ζ—-管道的局部阻力系数（无单位，有多个的要累加）。

使中部的截面积变为原来的一半，其他条件都不变，这就相当于增加了一个局部阻力系数ζ’，流量变为:Q'=[(π/4)d^2 √（1+λL/d+ζ+ζ’）] √（2gH）。

流量比原来小了。

流量减小的程度要看增加的ζ’与原来沿程阻力和局部阻力的相对大小。

当管很长（L很大），管径很小，原来管道局部阻力很大时，流量变化就小。

相反当管很短（L很小）,管径很大，原来管道局部阻力很小时，流量变化就大.定量变化必须通过定量计算确定。

流量计算公式（1）差压式流量计差压式流量计是以伯努利方程和流体连续性方程为依据，根据节流原理，当流体流经节流件时（如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、经典文丘利嘴、文丘利喷嘴等)，在其前后产生压差，此差压值与该流量的平方成正比。

圆管自然对流计算和模拟

水平管和竖直管自然对流计算汇总1.计算工况表计算结果温度工况温度工况100℃150℃200℃250℃300℃传热系数W m2h 水平管7.958 9.115 10.045 10.803 11.527K竖直管 4.715 5.369 5.899 6.335 6.754 换热量水平管75.962 141.388 215.734 296.472 385.128W 竖直管45.008 83.390 126.703 173.860 225.649 最大速度u max水平管0.476 0.537 0.585 0.697 0.736 m/s 竖直管0.840 1.050 1.180 1.290 1.3902.变化曲线图换热量（W）UIoUiOOOooOOO≤0d15θc MOod 250r5300 C餐(OC)以大速皮(m∕s)⊂> boI l ^S-J-J l-T- H「Iooe150d M O O d 250d w o o dN ra Ba (n )圆管自然对流的计算和数值模拟已知条件如图 1 所示：将一圆管分别水平放置和垂直放置在大空间中进行自然对流换热，圆管外径 D 38mm ，长度L 1000mm ，空气温度T20 C ，恒壁温条件T w 100,150,200,250,300 C ，求解自然对流换热系数和换热量以及对流换热时的空气最大速度。

图1一、数值计算1. 自然对流换热系数和换热量的计算1）圆管水平放置计算以壁温 T w 100℃为例，计算过程如下：特征长度： D 0.038m ；定性温度 t m t w t 2 100 20 2 60 C ；查空气物性： 0.029W m K ； =20.1 10-6m 2s ； Pr 0.696空气的体积膨胀系数： v 1 t m 273 1 60 273 1 333K 1格拉晓夫数 Gr ：g v tw t D 39.8 1/ 333 100 20 0.03835Gr 2 = 6 2 3.2 10 2( 20.1 10 6)2大空间自然对流的实验关联式为：nNu C Gr Pr n（ 1-1）根据计算的格拉晓夫数 Gr 选择合适的常数 C 和n （表 1）：表 1 式（ 1-1）中的常数 C 和n加热表面形流动情况示流态系数 C 和指数 n Gr 数适用范围=hA t w t 7.958 3.140.038 1 100 20 75.962W按照以上相同的步骤，在给定恒壁温 100,150,200,250,300℃的情况下，可以计算出相应的自然对流的换热系数和换热量，计算结果列于表 2 中：表 2 水平管计算工况表2）圆管垂直放置计算以壁温 T w 100℃为例，计算过程如下：特征长度： H 1m定性温度 t m t w t 2 100 20 2 60 C ；查空气物性： 0.029W m K ； =20.1 10-6m 2s ； Pr 0.696 空气的体积膨胀系数： v 1 t m 273 1 60 273 1 333K 1格拉晓夫数 Gr ：Grg v t w 2 t L 3=9.8 1/333 1006 220 135.83 109 2(20.1 10 6)2由式（ 1-1）和表 1 可得： 1/4Nu 0.48 Gr Pr 5 1/4=0.48 3.2 100.696 =10.428 Nu h D故水平圆管换热量： 0.029 10.43 287.958W m 2 K 38 10 3对于竖圆柱按照竖壁同用一个关联式必须满足：d 35≥H≥GrH1/4经验算，并不满足情况，应该按照文献【杨世铭 . 细长竖圆柱外及竖圆管内自然对流传热】中的关联式进行计算。

实验二,空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数

实验二、空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数一、实验目的1．测定空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数。

并将数据整理成准则方程式。

2．了解对流换热系数的实验研究方法，学会用相似准则综合实验数据的方法，认识相似理论在对流换热实验研究中的指导意义。

二、实验原理实验研究的是受热体（圆管）在大空间中的自然对流换热现象。

根据传热学和相似原理理论，当一个受热表面在流体中发生自然对流换热时，包含自然对流换热系数的准数关系式可整理为：()nb b Grc Nu Pr ⋅= (2-1) 式中： λalNu =——努谢尔特准数；t vgl Gr ∆⋅=β23——葛拉晓夫准数； l —物体的特性尺寸，实验中为管径d ；α—对流换热系数(W/m 2·℃)；λ——流体（空气）的导热系数(W/m 2·℃)； v ——流体（空气）的运动粘度(m 2/s ）；m T /1=β——流体的体积膨胀系数(1/K)。

T m ——定性温度，实验中取()2732/0++=t t T w m ，t w 和t 0分别为圆管壁面温度和室内温度；0t t t w -=∆是过余温度（℃）； c 、n ——待定实验常数，需根据实验数据用最小二乘法进行确定。

角标“b ”表示以边界层平均温度作为定性温度。

由于在一般情况下，实验管表面散失热量Q 以对流和辐射两种方式散发的。

r c Q Q Q += (2-2)式中，Q —表面散失热量 (W)，；Q ＝IV ；Q c —自然对流散失热流量 (W)Q r —辐射散失热流量 (W)。

实验管可以被看做为被其他物体（房屋、地面）包围的面积很小的凸物体，它的辐射热量为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=44100100O W O s T T F C Q ε（W ） (2-3) 其中，εs 为系统黑度，本实验系统中即为实验管表面黑度，由实验室事先测定；C 0为绝对黑体辐射系数，C 0＝5.67（W/m 2·K 4）；T w 、T o 分别为壁温和周围物体的平均温度 (K)（近似取室温）；F 为实验管辐射散热有效面积即为其圆周面积（m 2）。

大空间外水平圆管空气自然对流换热实验思考题

大空间外水平圆管空气自然对流换热实验思考题引言空气自然对流是指在没有外加力的情况下，由于温度差异而引起的气体自然对流传热现象。

大空间外水平圆管空气自然对流换热实验旨在研究空气自然对流传热过程，通过实验数据的采集、分析与处理，探讨换热特性与流动行为之间的关系，并且验证流体力学理论模型的准确性。

本文将针对大空间外水平圆管空气自然对流换热实验提出以下思考题，深入剖析该实验的意义与应用价值。

实验思考题1. 实验目的与意义•描述大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的目的和意义是什么？•阐述该实验在实际应用中的重要性以及相关领域中的研究前景。

2. 实验器材与测量方法•详细介绍大空间外水平圆管空气自然对流换热实验所使用的器材，包括实验装置、试验介质、实验测量仪器等。

•分析器材选择的依据以及实验测量方法的可行性和准确性。

3. 实验步骤与数据处理•总结大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的具体步骤，包括实验前的准备工作、实验操作的详细过程、实验结果的记录等。

•分析实验数据处理的方法和步骤，揭示实验中的主要分析结果。

4. 实验结果与讨论•展示大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的主要结果，包括实验示意图、实验数据曲线图等。

•分析实验结果，探讨实验中观察到的现象和关键参数之间的关系，以及它们与理论模型的符合程度。

5. 实验结论•总结大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的主要结论。

•着重强调实验的意义和应用价值。

展望未来，对该研究领域的进一步研究提出建议。

实验思考题解答1. 实验目的与意义大空间外水平圆管空气自然对流换热实验的目的是研究空气自然对流传热过程，在特定条件下测量和分析流体的温度分布和换热特性。

通过实验结果，可以获得空气自然对流过程中的关键参数和特性，为空气自然对流传热现象的研究提供实验基础。

该实验的意义在于：•增进对空气自然对流传热机理的理解：通过实验数据的采集和分析，可以深入理解空气自然对流传热的机理和规律，探讨温度差异对流体流动行为的影响，为空气自然对流换热的理论研究提供实验依据。

三维圆管流动状况的数值模拟分析(DOC)

三维圆管流动状况的数值模拟分析在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。

层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。

雷诺数是判别流体流动状态的准则数。

本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。

1 物理模型三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。

流体介质：水，其运动粘度系数62110m /s ν-=⨯。

Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口Wall ：光滑壁面，无滑移2 在ICEM CFD 中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。

2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。

在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件3 数值模拟原理3.1 层流流动当水流以流速10.005m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数500υdRe ν==，故圆管内流动为层流。

假设水的粘性为常数（运动粘度系数62110m /s ν-=⨯）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：①质量守恒方程：()()()0u v w t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (1-1)②动量守恒方程：()()()()()()()u uu uv uw u u u pt x y z x x y y z z x ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-2)()()()()()()()v vu vv vw v v v pt x y z x x y y z z y ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-3)()()()()()()()w wu wv ww w w w p t x y z x x y y z z zρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-4)式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。

试验三空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数

式中，V——烟气试样体积（毫升）； V1——烟气被KOH吸收后的体积（毫升）；
升）；V2——烟气被焦性没食子酸钾溶液吸收后的体积（毫 V3——烟气被氯化亚铜氨溶液吸收后的体积（毫升）。
⒊计算空气过剩系数

N2
N2

79 21

O2

1 2
CO
4.分析、讨论实验结果。
六、实验注意事项：
3、间隔10分钟，测一组管壁数据，直至前后两组数据接近时为止，以这两组数据的平均值作为计算数据Tw。
4、改变加热功率（即电压）至新工况，重复上述步骤，进行实验4－6次。
5、操作过程：
（1）用水准瓶分别调节各吸收瓶内吸收液的液面，使各瓶内吸收液充满至阀门处。
注意：在调节某一吸收瓶内的吸收液封时，应关闭其他吸收瓶的开关。
（2）关闭K1至K6开关，打开K7及K8，提高水准瓶，使指示液充满量管，将管路中空气排出，把烟气试样接入干燥管进口，关闭K8，打开K6，降低水准瓶，使烟气吸入量管。然后打开K8，提高水准瓶此时吸入之烟气连同管路中的残余空气一起排出。这样整个管路均被烟气“清洗”了一次，若“清洗” 不净，可再“清洗”1至2次。
用相似准则综合实验数据的方法，认识相似理论在对流换热实验研究中的指导意义。
二、实验原理
当固体表面与流过该表面的流体之间存在温度差时，固体表面与流体之间产生的热量交换现象称为对流换热。对流换热过程是硅酸盐工业热工设备中最主要的换热过程之一。由于对流换热一方面依靠流体分子之间的导热作用，同时还受到流体宏观运动的控制，因而影响对流换热的因素很多，主要有三个方面，即流动工况、表面状态和工质物性。从而使得对流换热过程成为所有换热过程中最复杂的一种，亦使得实验研究成为研究对流换热过程的一个极为重要的手段和解决问题的基本途径。

实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定)

实验内容包括学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法,测定空气沿横置圆管表面自然对流的平均换热系数α,将实验数据整理成准则方程。
要求充分理解实验原理。必须懂得在实验中应记录哪些量。能独立地将测量数据整理成准则方程，从而巩固课堂上学过的知识。
本实验所涉及的课程知识面广,牵涉到对流换热原理,各种对流换热过程的特征及其计算公式,辐射换热等三个章节的内容.
五、实验记录
附表一：试验原始数据记录
待测或已知物理量
试管尺寸
外径D 有效长度 L
散热面积 F＝πDL
允许最大功率
黑度
绝对黑体辐射系数 C0
参数
公式及符号
单位
第一组
m
0.02
m
1
m2
W
1200
0.15
W/m2K4
5.669
工况
单位
1 234
第二组 0.04 1.2
800 0.15 5.669 1234
1．对流换热系数 α （经验法）
对铜管进行电加热，高温铜管对空气的热传递过程，是既有辐射又有对流换热的复杂换热过程。
由高温铜管传递给空气的对流换热系流量和辐射换热的热流量公式分别为：
Qc= α F (tw－tf )
[W]
Qr =εC0 F [(1T0w0
)4—
Tf (100
)4]
[W]
二者传递的总热流量为：
上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为：
α —— 对流换热系数
W/（m2·Κ）
D —— 实验单管外径
m
λ —— 空气的导热系数
W/（m·Κ）
β —— 介质的膨胀系数

ra=10~4时方腔内热圆管自然对流的位置优化

ra=10~4时方腔内热圆管自然对流的位置优化
热圆管自然对流是指在圆管内部由于温度差异而产生的自然对流现象。

当圆管内的Ra数（瑞利数）在10^4左右时，热圆管内部的对流位置会发生优化。

在这种情况下，对流流动会沿着圆管的周向方向发展，形成对流循环。

当圆管内部的温度差异增大时，这种对流循环会变得更加明显。

同时，由于圆管内部的流动受到管壁的限制，流动的方向和速度也会受到影响。

为了优化圆管内部的对流位置，可以采取一些措施，比如增加管道的长度，更换管道材料，调整管道的形状等。

此外，还可以通过加热或冷却管道来改变管道内部的温度分布，从而影响对流位置。

这些措施可以帮助优化圆管内部的对流位置，提高对流换热效率，以及避免产生不必要的热应力和热疲劳等问题。

不同湿度环境下圆管的自然对流传热

值模拟研究[J/OL]. [7]毛前军,刘宁,彭丽.双圆台型高温太阳能蓄热系统传热特性研究[J].太
阳能学报,2021,42(03):191-196. [8]路膺祚,鲍玲玲,罗景辉,王景刚.矿井回风余热回收用可变导热管的换热
分析[J].煤矿安全,2021,52(01):220-225+231. [9]时国华,余丹,蒋可,代瑞,李晓静.强制对流空浴式深冷翅片管气化特性
三、研究方法和手段一是利用实验方法，实验方法中主要是用热电偶测试和利用激光干涉法。
热电偶测量是在圆管壁面上布置一些热电偶，利用热电偶测得的实验数据拟合出近似的实验曲线，并从中分析其变化规律。用热电偶进行测量时要将热电偶的感头插入温度场中或焊在圆管表面上，这样不可避免会影响或者干扰实际的换热过程，而且得到的数据很少，只是简单的点对点测量。再就是热电偶的热惯性大，测量一个点需要很长时间。
五、文献综述
（一）国外研究综述
Ambrosini 利用动态电子散斑干涉光学方法研究了水平金属丝的自然对流开始发生和发展的过程。作者指出利用此光学方法可以进行定性和定量的分析，精确确定纯导热和发生自然对流的分界线。实验结果发现在初始阶段因为是纯导热，所以得到的干涉条纹是一系列同心圆随着水平金属丝表面温度的升高等温线逐渐由同心圆变成类似于蘑菇状的羽状区，直至最后达到稳定状态干涉条纹保持不变。同时发现自然对流过程的发生有个滞后的过程，而且随着金属丝直径的增加，滞后会更加明显。
[29]Bugarin I.M.,Oliveira T.F.. Droplet motion in confined natural convection flows[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2021,173.

实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定)-9页精选文档

空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定实验一、实验目的及要求1．目的（1）学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法。

（2）测定空气沿横置圆管表面自然对流时的平均换热系数α。

（3）将实验数据整理成准则方程，从而掌握空气沿横置圆管表面自然对流换热的规律。

2．要求（1）充分理解实验原理。

（2）必须懂得在实验中应记录哪些量。

（3）能独立地将测量数据整理成准则方程，正确区分实验法确定换热系数的两种方法的优、缺点以及适用范围，从而巩固课堂上学过的知识。

二、实验原理影响自然对流的换热系数α的五大因素有：1．由流体冷、热各部分的密度差产生的浮升力；2．流体流动的状态；3．流体的热物性；4．换热壁面的热状态；5．换热壁面的几何因素；依据相似理论，它们之间的关系包含在准则方程之中。

由于本实验中介质为空气，其物性随温度的变化较小，空气的Pr 值随温度的变化不大，Pr ≈0.72，故相应的准则方程可简化为：Nu f = f (Gr f )对流换热问题的准则函数形式，通常采取指数函数的形式表示：Nu f = c Gr f n式中：Nu f ——努谢尔特准则 Nu f =αDλGr f ——葛拉晓夫准则 Gr f =β·g·Δt·D 3ν2 系数c ，上标n —— 均为需通过实验来确定的常数。

上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为： α —— 对流换热系数 W /（m 2·Κ） D —— 实验单管外径 mλ —— 空气的导热系数 W /（m ·Κ） β —— 介质的膨胀系数 K -1 g —— 重力加速度 m / s 2 Δt —— 介质和管壁表面之间的温差 K ν —— 运动粘性系数 m 2 / s下标f —— 表示各准则以流体介质在物体边界层以外处的温度t f 为定性温度。

要通过试验确定空气横向掠过单管时Nu f 与Gr f 的关系，就要求葛拉晓夫数Gr f 有较大范围的变动才能保证求得的准则方程式的准确性。

细长圆柱及圆管的自然对流

细长圆柱及圆管的自然对流
细长圆柱和圆管的自然对流是由温度差异引起的流动现象。

当细长圆柱或圆管的一侧受热而另一侧冷却时，热空气会上升，冷空气会下沉，形成自然对流流动。

这种流动可以被描述为一个环绕圆柱或圆管的循环，其中热的气流上升，冷的气流下沉，并形成一个稳定的循环。

细长圆柱和圆管的自然对流流动受到多种因素的影响，包括温度差、圆柱或圆管的尺寸和形状、流体的性质等。

温度差越大，自然对流流动越强。

圆柱或圆管的尺寸和形状也会影响自然对流流动的强度，通常，较长和较细的圆柱或圆管会产生更强的对流效果。

流体的性质，如密度和粘度，也会影响对流流动的强度。

对于细长圆柱的自然对流，流动的特征可以通过Grashof数来
描述。

Grashof数是由对流力和重力驱动力比较得出的一个无
量纲数值。

当Grashof数大于某个临界值时，流动从不稳定的
层流转变为稳定的湍流。

对于圆管的自然对流，流动的特征可以通过Nusselt数来描述。

Nusselt数是由对流热传导和导热比较得出的一个无量纲数值。

Nusselt数越大，自然对流的传热效果越好。

在工程应用中，细长圆柱和圆管的自然对流现象常常被用来进行传热和冷却。

例如，圆柱体穿过液体或气体中时，自然对流可以帮助冷却圆柱表面的热量。

此外，自然对流还可以用于热交换器中，提高热量传递效率。

基于FLuent热对流边界的水平和竖直长圆管自然对流换规律和程序实现

水平长圆管自然对流换热计算1 圆筒稳态导热热阻R=12πλln⁡(r2r1)式中：λ：管道材料导热系数，W/m∙K−1。

2 格拉晓夫数和瑞利数（Grashof Number and Rayleigh Number）在外部驱动（如强制对流）的情况下，该流动的性质由雷诺数表征，雷诺数描述了惯性力和粘性力的比。

但是，对于自然对流等内部驱动的流动，速度尺度最初是未知的。

在这种情况下，用格拉晓夫数表征流动状态。

格拉晓夫数描述了流体中的粘性扩散和和内部驱动力（浮力）之比。

像雷诺数一样，格拉晓夫数需要定义特征长度，流体的物性和密度差。

在通用情况下，格拉晓夫数通过下式定义：Gr L=⁡gρ(ρext−ρs)L32式中：g：重力加速度，m/s2；ρ：流体的密度，kg/m3；ρext：自由流密度，kg/m3；ρs：壁面流体的密度，kg/m3；L：特征长度，m；μ：流体的动力粘度,kg/(m∙s)。

上式可以适用于任何密度可以变化的流体，流体的密度可以不仅仅取决于流体的密度。

可以适用于湿空气，其密度取决于湿空气的温度和蒸汽浓度。

当流体的密度仅由温度决定时，格拉晓夫数通过下式定义：Gr L=⁡gαp(T s−T ext)L3(μ/ρ)2式中：g：重力加速度，m/s2；αp：流体的体积膨胀系数，1/K；T s：壁面流体的温度，K；T ext：自由流温度，K；L：特征长度，m；μ：流体的动力粘度,kg/(m∙s)；ρ：流体的密度，kg/m3。

通常，流体的体积膨胀系数由下式给出：αp=−1ρ(ðρðT)p对于理想气体：αp=1当格拉晓夫数到达109时，流动状态从湍流转换为层流，格拉晓夫数大于109时流动状态为湍流。

瑞利数是流动状态的另一个指标。

瑞利数和格拉晓夫数相似，除了瑞利数会考虑热扩散率：Ra=Pr∙Gr。

当瑞利数较小时，流体域内热传递中热传导占主导地位（详情参见热传递的三种方式）。

在这种情况下，换热系数与热对流无关，相反，把流体视为静止状态更准确。

水平圆管表面自然对流换热的数值模拟

转９Ｏ。后的示意图．
本文利用Ｆｌｕｅｎｔ模拟水平等温圆管的自然对流换热，将数值模拟得到的温度场数据和运用ｍａｔ —
［收稿日期］２０１２ —１Ｏ一２１［基金项目］湖北省自然科学基金项目（２０１２ＦＦＢＯ０７０４）［作者简介］朱进容（１９７８一），女，湖北荆州人，湖北工业大学讲师，工学博士，研究方向为热物理量激光测试
第２８卷第ｌ期
ＶｏＩ．２８ＮＯ．１
湖北工业大学学
报
２０１３年Ｏ２月
Ｆｅｂ．２０１３
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
管的自然对流换热进行了数值研究．Ｄｅｍｉｒ：。］利用Ｆｌｕｅｎｔ软件模拟了圆管的温度场和速度场分布．朱
进容等］对水平圆管的自然对流换热进行了实验研
究．由此可见由于圆管长度直径比值、圆管壁温不能保持绝对一致、测试腔尺寸设计不合理及圆管上部羽状区流体的流动对速度场和温度场的干扰等都会
方，从而得到关于水平圆管自然对流换热更精确件
水平圆管直径为１５．６ｍｍ，测试腔水平方向长为４００ｍｍ，竖直方向高为１０００ｍｍ．整个区域的网格划分为两个部分，圆管表面附近生成了实际的圆圈，采用结构化网格，其余部分采用非结构化网格．测试腔左右两端和底部给定恒定温度值３０２．６Ｋ，顶部为压力入口；圆管壁面为恒壁温值３６７．３Ｋ；其余部分为对称边界条件．大空间的水平圆管周围

水平圆管在大空间内自然对流换热的实验与数值分析

水平圆管在大空间内自然对流换热的实验与数值分析李庆领;杨广志;李涛【摘要】By means of combining experiment with numerical computation, the heat exchange process with natural convection over horizontal circular pipe in large space was investigated It was found by the experiment that the heat exchange coefficient would increase with the temperature rising on the outersur-face of the pipe. Experimental correlation of natural convection heat exchange was fitted by using experimental data. The natural convection heat transfer of horizontal circular pipe was numerically analyzed on the platform of Fluent The result showed that the intensity of the natural convection heat exchange would be decided by the temperature difference between pipe wall and ambient air; the bigger the temperature difference was the faster the natural convection flow is and the bigger the maximum flowing velocity would be. The continual rising airflow would be formed around the pipe, which was drived by the uplift due to the temperature differences.%通过实验与数值计算相结合的方法,对大空间水平圆管的自然对流换热过程进行研究.实验得出圆管自然对流换热系数随管壁温度的升高而增大,并拟合了实验条件下的自然对流换热实验关联武.以Fluent为平台,对水平圆管在大空间内的自然对流换热进行数值分析.结果表明,自然对流换热强弱取决于圆管壁面与周围流体温差的大小,温差越大,自然对流流动发展越快,最大流速越大,圆管周围空气在温差产生的浮升力驱动下形成不断上升的气流.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2013(039)002【总页数】4页(P43-46)【关键词】水平圆管;自然对流换热;Fluent;数值模拟【作者】李庆领;杨广志;李涛【作者单位】青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061【正文语种】中文【中图分类】TK124大空间内水平圆管外表面的自然对流换热是日常生活与工业生产中普遍存在的现象，国内外学者针对这一问题进行了大量的研究，李远涛［1］对水平圆管自然对流换热进行了实验和数值模拟研究，对比并得出了最佳的经验公式，分析了自然对流换热流场与温度场的影响因素；王晓云［2］通过实验分析了辐射传热在水平圆管自然对流换热中的比重以及圆管周围的温度分布情况；朱进容［3］基于激光横向剪切干涉测试装置研究了大空间水平恒温圆管的自然对流换热，拟合出新的平均努赛尔数准则关系式，并通过Fluent对二维和三维水平圆管自然对流换热进行了数值模拟分析.对于水平圆管自然对流换热的研究，主要以实验分析与解析计算为研究手段，随着计算机技术的发展，仿真模拟逐渐成为了研究自然对流换热的主要手段，但模拟分析往往只是给出模拟结果，缺少对整个对流换热过程的直观表达，因此本文运用实验与模拟相结合的分析方法，借助模拟软件，通过模拟结果云图直观的分析了大空间水平圆管自然对流换热气流流场发展过程.1 自然对流换热实验1.1 实验设备与方法外径50 mm，厚度10 mm，长1 400 mm的钢管；DALLAS 18B20型温度传感器；实验装置简图如图1所示.图1 水平圆管自然对流实验装置简图Fig.1 Schematic diagram of experimental facility for natural convection heat exchange over horizontal circular pipe 实验在封闭大空间室内进行，实验圆管上共设置6个温度传感器焊点，考虑到电加热管可能存在加热不均匀或偏心等情况，焊点分别在轴向等距分布，同时在圆周方向等角度分布，分布情况见图1.实验在8个不同的加热功率下进行，每个加热功率下持续加热6 h，当水平圆管上6个测温点测得的温度稳定不再变化时记录温度值.1.2 实验数据计算1.2.1 自然对流换热系数的计算实验时室内温度为290.5 K，实验所测的圆管管壁温度见表1.表1 不同加热功率下的管壁温度Tab.1 Temperatures of pipe wall heated with different heating powers加热电压／V加热功率／W实验测量温度／K T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6平均测量温度／K 30 10.5 295.1 296.1 295.9 295.6 295.8 295.6 295.7 50 30.0 303.1 304.2 303.6 303.4 303.7 303.3 303.6 80 74.4 315.7 316.3 316.0 315.9 316.1 315.7 316.0 100 121.0 326.2 327.1 326.6 326.3 326.5 326.6 326.6 125 190.0 341.7 342.2 342.0 342.1 342.3 341.9 342.0 150 256.5 355.8 356.7 356.2 356.2 356.6 356.4 356.3 170 334.6 371.2 371.9 372.5 373.7 374.3 373.9 372.9 190 439.7 392.2 393.3 394.2 393.8 394.0 393.9 393.6根据大空间水平圆管自然对流换热的计算公式得到了实验条件下空气的自然对流换热系数随温度的变化规律，如图2所示.图2中空气的自然对流换热系数随着圆管壁面温度的升高而逐渐增大，但前段的自然对流换热系数的增长幅度要远大于后段.因为在管壁温度较低时，固体管壁与周围空气之间温差较小，自然对流换热较弱.又由于圆管表面氧化严重，黑度较大，在小温差条件下辐射换热所占比重较大，但随着管壁温度的升高，管壁与周围空气之间的温差不断变大，自然对流换热也逐渐成为主要的换热方式.图2 空气的自然对流换热系数随管壁温度变化曲线Fig.2 Variation of natural convection heat exchange coefficients vs pipe wall temperature1.2.2 实验关联式的拟合根据相似原理，对流换热的实验数据应表示成相似准则数之间的函数关系.根据实验数据计算得到的瑞利数Ra的数值范围摘选了2个已有研究得到的实验关联式［4-5］进行对比分析：公式中的格拉晓夫数Gr与普朗特数Pr均根据本实验获得数据计算，以不同管壁温度下的瑞利数Ra为横坐标绘制了不同实验关联式下努塞尔特数随瑞利数变化的曲线，如图3所示.图3 不同实验关联式时努塞尔特数随瑞利数的变化曲线Fig.3 Variation of Nusselt number with Rayliegh number in case of different experimental correlativity计算对比发现，不同实验关联式计算结果之间存在不同程度的偏差.分析认为是由于实验条件的限制、计算的误差以及对定性参数的选择不同，使得所得到的实验关联式针对性较强，很难获得统一的实验关联式.由于上述公式不能准确地表征本实验的自然对流换热特性，因此根据实验数据拟合得到了适合本实验瑞利数范围的大空间水平圆管自然对流换热的实验关联式：2 大空间水平圆管自然对流换热的数值分析2.1 自然对流换热问题的数学描述自然对流换热是较复杂的过程，为了简化分析，首先对模型进行了假设：1）流动为二维流动；2）流体为不可压流体；3）流体为常物性，并且无内热源；4）忽略黏性耗散产生的耗散热.因此得到的自然对流控制方程式为［4，6］：质量守恒方程：动量守恒方程：能量守恒方程：2.2 几何模型的建立与数值模拟过程通过ICEM CFD建立了数值模拟的二维几何模型.模型为宽200 mm，高1 000 mm的矩形，圆管直径为50 mm，位于中心位置，网格划分结果如图4所示.图4 几何模型的网格划分Fig.4 Meshing of geometric model实际情况下，自然对流是由于温度差引起密度差从而产生浮升力推动空气运动的现象，实质属于可压缩流动.但在Fluent中对于温差较小的流动分析，气体模型采用Boussinesq近似便可得到较好的模拟结果.Boussinesq近似是将动量方程中浮力项中的密度定义为时间的函数ρ＝ρ0［ 1-β（t- t 0）］，而能量与质量方程中的密度则视为常量［7］.圆管管壁为恒壁温边界条件，由于瑞利数范围在105左右，因此时间步长取0.000 1即可.2.3 数值模拟结果与分析2.3.1 温差对自然对流换热的影响分析通过Fluent模拟了不同实验壁温下的自然对流换热，在模拟结果中计算了努赛尔特数，如图5所示.与实验计算得到的努赛尔数相比，在温差较小时实验结果与模拟结果相差较小，但温差大于40 K时，模拟结果较实验结果有所偏差，说明Boussinesq近似在小温差下能够得到较为准确的结果，在大温差下模拟结果与实际结果稍有差异，但所建立的模型能够准确表征水平圆管的自然对流换热.图5 实验与模拟得到的努赛尔数Fig.5 Nusselt number obtained from experiment and numerical simulation模拟结果选择了管壁温度不同但自然对流流动发展时间相同的两个壁温条件下，圆管上方空气在y方向上的速度分布云图作为对比对象，如图6所示.其中T TW表示管壁温度，ΔT 表示管壁与周围空气之间的温差.两者温差差距较大，能够用以分析温差对自然对流换热的影响.通过模拟结果的对比可以充分证明温差是决定自然对流换热强弱的重要因素.管壁与周围空气之间温差越大，圆管上方空气运动越剧烈，流动发展越快，这与实验部分自然对流换热系数的变化规律相一致.图6 不同温差相同时间间隔下圆管上方空气流动云图Fig.6 Nepho-gram of air flow above horizontal circular pipe for different temperature differenceand same time interval2.3.2 圆管自然对流换热气流流动的发展分析如图7a所示，圆管自然对流气流流动的发展首先从近壁处开始，近壁处的空气受管壁加热温度上升，密度减小，从而产生浮升力推动空气运动，黏性力作用使得近壁处空气附着于管壁并沿管壁向上流动，圆管近壁处的空气受热后不断上升向圆管上方汇集流动，在黏性力作用下对空气上升的速度影响最小的圆管侧面空气流速处于最大，在继续上升过程中因黏性力作用而下降.管壁周围空气沿管壁向上流动并在圆管上方汇集，推动圆管上方空气向上流动，圆管上方空气受热产生密度差引起浮升力，伴随着两端气流的推动而向上运动，这导致管壁周围会出现极小的负压区，如图7b所示.压差的存在使周围未受热空气不断涌向圆管，管壁加热吸入的空气使其上升，如此往复便形成了自然对流，如图6所示，气流不断向上流动形成气流柱.上升气流通过摩擦带动两侧停滞的空气向上运动，但气流上方空气密度大，且远离圆管不会被加热，因此上升气流会将上方密度较大空气推向两侧，同时气流的上升使得气流下方压强降低，压差又会迫使两侧空气向气流中心汇聚，被推动的密度较大的空气在压差和自身重力的影响下会出现向下的回流，因此在上升气流两侧会出现回流漩涡，如图7c所示.图7 自然对流气流流动的发展过程Fig.7 Development of air flow due to natural convection3 结论1）自然对流换热系数随管壁温度的升高而增大，根据本实验条件拟合出了该实验条件下的实验关联式.2）自然对流换热强弱取决于高温固体壁面与周围流体温差的大小，温差越大，自然对流流动发展越迅速，流动越剧烈，最大流速越大，在温差驱动下形成上升气流，并由于压差的作用在上升气流两侧形成漩涡.参考文献：［1］李远涛.横管表面自然对流传热特性的实验分析与数值模拟［J］.长春工程学院学报，2010，11（1）：64-67.［2］王晓云.自然对流状态下横圆管管壁温度圆周方向分布［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，39（6）：1282-1284.［3］朱进容.水平圆管自然对流换热的剪切干涉测温数值和实验研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.［4］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006：263-269.［5］ CHURCHILL S W，CHU H H S.Correlating equations for laminar andturbulent free convection from a vertical plate［J］.Int J Heat Mass Transfer，1975，18：1049-1053.［6］ KAYS W M，CRAWFORD M E.Convective heat and mass transfer ［M］.Second Edition.New York：McGraw-Hill Book Company，1980：387-389.［7］宋姗姗，郭雪岩.Boussinesq近似于封闭腔体内自然对流的数值模拟［J］.力学，2012，33（1）：60-67.。

水平圆管在大空间内自然对流换热的实验与数值分析

第３９卷第２期
２０１３年４月
兰
州
理
工
大
学
学
报
ＶｏＬ３９Ｎｏ．２
Ａｐｒ．２０１３
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＬＩＱｉｎｇ－ｌｉｎｇ，ＹＡＮＧＧｕａｎｇ－ｚｈｉ，ＬＩＴａｏ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６０６１，Ｃｈｉｎａ）
ｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆＦｌｕｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｎａｔｕｒａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｗｏｕｌｄ
圆警在大空间内的自然对流换热进行数值分析．结果表明，自然对流换热强弱取决于圆管壁面与周围流体温差的大小。温差越大，自然对漉流动发展越快，最大流速越大，圆管周围空气在温差产生的浮升力驱动下形成不断上升
的气流．
关键词：水平圆管；自然对流换热；Ｆｌｕｅｎｔ；数值模拟