实验十 强制对流换热系数的测定 （一）空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定

实验目的 了解流体横向掠过圆柱体时沿表面不同角度处对流换热系数及

压力的变化。 分析对流换热系数及压力变化的原因。 实验原理 通过对圆柱体进行热平衡分析可得出局部换热系数的表达式：

将实验测得的 V 、 I 、 t 、 tf 代入上式，计算不同 φ 处的局部换热系数 φ 。最后可用局部努谢尔特数 Nuφ 来表示沿表面对流换热的变化规律 ：

用 Nuφ—φ 曲线可表示出某雷诺数 Re 下空气横掠圆柱体时的对流换热变化规律。

f

fbS

tt

TTd

td

rbL

VI

）（）（ 442

22180

DNu

实验装置 试验装置为风源、圆柱体局部换热试验段、低压直流电源、

电位差计、倾斜式微压计、分压箱和转换开关。

试验段示意图 试验段风道由有机玻璃制成，中间横置可旋转的圆柱体，其

中段周向包覆一不锈钢片，其内表面放置了热电偶，在热电偶相同角度处开有一小测压孔，将圆柱体转到不同 φ 角位置，就可测出不同角度处表面温度和空气的压力。

测量系统图：不锈钢片的电流量通过标准电阻上的电压降来测量。热电偶测片壁温。将热电偶毫伏值，标准电阻上的电压降及片二端的电压降，经一转换开关及分压箱输出一低压信号，由电位差计测量各值，空气沿柱面的压力和来流速度由毕托管均通过倾斜式微压计测量。

实验步骤 联接并检查线路，确定无误后，打开风机，调节风门在适

当位置，旋转圆柱体使测温点和测压孔处在来流前驻点位置。

将整流电源电压调节旋钮旋至输出电压零位，然后接通整流电源，并逐步提高输出电压，对不锈钢片加热。为保证不至于损坏试件。不锈钢片表面温度大约控制在 80℃以下。

待热稳定后开始测量，以前驻点（ φ ＝ 0° ）到后驻点（ φ＝ 180 间隔 5° 作一测量点。用电位差计测出各点的温差电势值 E ＝（ t － tf ）。用微压计测出相应的气流沿表面的压力值 Pφ ，每旋转一角度，需待稳定后再测量。测量可沿圆柱的一半进行，但作为对称检验可待一半测量结束后，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，可选几组数据。

实验数据记录空气温度 tf = 空气密度 ρf= 电压降 V1=

电压降 V2= 来流动压△ P= 来流静压 P=实验数据记录表

实验分析 对流换热变化规律及表面压力变化有何联系？ 影响换热系数和压力分布的因素。

φ(度 ) E(tφ－ tf)/mv Pφ/mmH2O φ(度 ) E(tφ－ tf)/mv Pφ/mmH2O

0 95

5 100

10 105

15 110

20 115

25 120

30 125

35 130

40 135

45 140

50 145

55 150

60 155

65 160

70 165

75 170

80 175

85 180

90

（二）空气横掠单管时平均换热系数的测定 实验目的 通过实验，掌握强制对流换热数据的整理方法。 了解空气横掠单管时的换热规律。 实验原理 根据对流换热分析，流体横掠管子时的换热规律可以用准则

关系式来表示： Nu ＝ f(Re， Pr) 对于空气，温度变化范围又不大，上式中的普朗特数变化很

小，可作常数看待，则准则关系可简化为 ： Nu ＝ f(Re)

要通过试验确定 Nu与 Re的关系，就要求雷诺数 Re有较大范围的变动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 v及 D来达到。也就是用不同直径的管子在不同的空气速度条件下进行试验，然后将全部试验结果整理在一起求得换热准则式。

D

Nu vD

Re

实验装置 试验装置为风源、单管换热试验段、低压直流电源、电位

差计、倾斜式微压计、分压箱和转换开关。

测量系统图：单管的电流量通过标准电阻上的电压降来测量，热电偶测管内壁温，在离管端一定距离处焊有二电压测点ａ、ｂ，经过分压箱测两点的电压降 Vab，空气来流速度由毕托管通过倾斜式微压计测量。

实验步骤 联接并检查所有线路，确定无误后，将整流电源电压调节

旋钮旋至零。然后打开风机调节风门、接通整流电源并逐步提高输出电压，待热稳定后开始测量，对每一种直径的试验管，调整空气流速 4～ 5个工况，加热电流亦可根据管子直径及风门大小适当调整，保证管壁与空气间有适当的温差。由于所用管子很小，壁亦薄，热容量很小，调整工况后很快就可达到稳定，然后就能测量各自有关数据。

实验数据记录实验数据记录表

实验分析 来流速度与管子外径对 α 有何影响。 分析单根圆管的换热规律。

待测物理量 单位 第一组 第二组 第三组 第四组

试 验管尺寸

外径 D m

有效长度 m

散热面积 m2

工况编号 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

气流动压△h

参考值 mmH2O 最大 33 14 6 最大 33 14 6 最大 33 14 6 最大 33 14 6

实测值 mmH2O

工作电流 I

参考值 A 25 20 16 12

实测值 A

工作电压 V

大气温度 tf ℃

过余温度电势E(tw－ tf)

mv

过余温度(1mv=23.2 )℃

℃

试件壁温 tw℃