空气横掠圆柱强制对流换热--传热学.pdf

北京科技大学机械工程学院
空气横掠圆柱的对流换热实验
(一)实验目的
1. 了解空气横掠圆柱体的对流换热系数的实验测定方法
2. 测定圆柱体的对流换热系数 h
3. 根据对强制对流换热现象的相似分析,整理出准则方程式

(二)实验原理
在实验中,利用直流稳压电源对圆柱体进行加热,并通过风机对其冷却。待
圆柱体达到热平衡后,根据牛顿冷却公式有
i
Qhconv =−A()Ts T∞
i
上式中Qconv 为对流换热量,考虑到圆柱体对外界的散热由对流换热和辐射换
热两种形式,因此
ii
QQconv =−Qrad
i
上式中 Q 为电加热功率,Qrad 为辐射换热量。辐射换热量可由
i
44
QArad =εσ(TS −T∞)确定,因此,对流换热系数可由下式计算得到
44
hQ=−[/Aεσ(TSS−T∞)]/(T−T∞)
h-对流换热系数,Wm/ 2 ⋅°C;Q-电加热功率,W ;A-对流换热面积, m2 ;
ε-圆柱体表面黑度;σ-黑体辐射系数,×10−8Wm/ 2⋅ K4;
TS -圆柱体表面温度, K ;T∞-室内空气温度, K ;
在忽略辐射换热的前提下(本实验中辐射换热量较小,可忽略),上式可简化为
Q
h =
A()TTS −∞
根据相似理论,对于空气横掠物体的对流换热,努塞尔数 Nu 是雷诺数 Re
和普朗特数 Pr 的函数,并可表达为
Nu = C RenmPr
对于空气,普朗特数 Pr 在一定温度下为常数,故上式可简化为
Nu = C Ren
其中 c 、n 是通过实验确定的常数。
努塞尔数 Nu 和雷诺数 Re 的表达式分别为


hD VD
Nu = Re = ∞
k f ν
D-圆柱体的直径,m;k f -空气的热导率,Wm/ ⋅°C;V∞-空气的来流速度,m/ s;
ν-空气的运动粘度, ms2 /
在实验中改变空气的来流速度,就能得到不同的准则数,对式 Nu = C Ren 取
对数,即得
lg Nu =+lg C nlg Re
将实验中得到的 Nu、Re 的值代入上式中,便可确定 c 、n。

(三)实验仪器
实验装置如图 1 所示,主要有以下几个部分组成
1、实验装置本体,包括
空气强制对流换热实验用风源(/ s)
测定圆柱换热系数的试验段
2、电源及测量系统,包括
30V30A 硅整流低压直流电源
电位差计、万用表、热球风速仪

图 1 实验装置简图

图 2 空气横掠圆柱体对流换热试验段


图 3 试验段的分度盘


(四)实验步骤
1. 熟悉实验仪器,掌握电位差计、热球风速仪、电源的使用方法;
2. 按照线路图连接实验仪器与试件。注意电位差计接 mV 端测点,万用表接 V
端测点;注意各接线柱的正负极不要接反;
3. 开启风机,取下玻璃罩,调节风门至最
大,即最大风速,用热球风速仪测量风机出
口处的风速(如右图所示)。安放玻璃罩;
4. 开