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实验二 空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定 流体绕流圆柱（包括球）的流动，是理想流体势流流动教学的难点，也是工程应用中普遍采用的技术，如汽车、火箭、飞机、导弹等的表面形状与阻力计算、足球、高尔夫球运动的升力控制等的基础；实际流体绕固体流动的压力变化与边界层及其分离紧密联系的，概念规律更加复杂。 流动与传热保持着天然的联系，流体绕流圆柱对流换热局部表面换热系数是比较抽象的概念，流体外掠固体表面特别是曲面表面时，局部表面换热系数变化很大，是柴油机的水、油冷却器、火力发电、能源化工、制冷空调等行业的热交换器设计制造的重要参考数据。 一、实验目的 1.了解实验装置的原理、构成、实验方法； 2.整理实验数据，观察圆柱表面局部换热系数的变化特点； 3.（较高要求）分析数据变化的原因，加深理解对流换热的规律。 二、实验原理 圆柱表面一点的局部换热系数 式中：qφ物体表面的热流密度 tφ某一圆周角处表面的温度 tf空气来流温度当圆柱表面热流密度恒定，且被温度均匀、流速恒定的空气平行流横掠时，圆柱温度沿圆周角度的变化直接反映表面换热系数的特性。 三、实验装置 实验系统包括箱式风源（小型风洞）、风道、实验圆柱体，以及稳压电源、测量仪表，图所示。 箱式风源中包括风机、稳压箱、气流收缩口。风源入口有一调节风门，可改变来流风速的大小。风箱顶部中央是气流出口，气流被均流化，成为平行流。 有机玻璃风道中间横置可旋转的胶木圆柱体（图），圆柱中间段沿圆周方向包覆一层不锈钢片，片的内表面布置一对铜—康铜热电偶，不锈钢片的两端与电源导板相连。 热电偶热端的位置由相对来流前驻点的角度θ表示。从圆形刻度盘读数。在圆柱体的上游来流截面架设皮托管，以测量来流总压（或流速）。 圆柱体的不锈钢片由硅整流电源提供的低压大电流直流电加热，同时串联标准电阻。用数字毫伏表或者电位差计测量标准电阻上的电压，以此确定不锈钢片的电流。本实验采用电位差计，因受量程限制，测量线路中必须接分压箱。 为了简化测量系统，用热电偶测量圆柱表面温度时的冷端（参考点）温度不用0℃而是气流温度tf。热电偶的热端接点连在不锈钢片上，另一端即冷端接触空气气流。热电偶记录的是圆柱表面与空气气流的温度差产生的热电位差。该热电势差信号经过转换开关用同一台电位差计测量。 将圆柱体旋转到不同的φ角度位置，就可测出该处圆柱表面的温度。空气来流速度可由皮托管、倾斜式微压计测出，空气来流温度由水银温度计读出。 图 实验装置示意图 1.低压直流电源 2.风源 3.实验段风道 4.圆柱试件 5.标准电阻 6.热电偶的热接点 7.热电偶的冷端 8.分压箱 9.转换开关 10.电位差计 11.倾斜式微压计 12.皮托管 13.调节风门 图 实验圆柱体的结构 1 风道 2 胶木圆柱体 3 不锈钢片 4 热电偶 5 电源导板四、实验步骤 1.开启风机，调节风门位置，用皮托管测量空气流速。 2.旋转圆柱体，使其测温点处于来流前驻点的位置。 3.将整流电源的电压调节旋钮旋转至电压为0的位置，再按下开机按钮。 4.逐步提高整流电源的输出电压，给不锈钢片缓慢加热，至预定温度，为了不损坏试件且测温精度足够，不锈钢片表面温度应在80℃以下，采用逐步加热和反复试探法确定温度。 5.待热稳定后，用电位差计测量前驻点位置φ=0的温差热电势。 6.从前驻点位置开始，每增加10o角，待热稳定后，记录一次电势差（温差），直至φ=180o。 7.当圆柱一半周面转过之后，在另一半周面选取几个测点，作对称性检验。 五、实验已知条件和数据处理 风道通流截面0.08m×0.16m圆柱直径D=48×10-3m不锈钢片厚度δ=1×10-3m宽度b=40×10-3m 总长度L=0.147m计算公式： 1.圆柱表面温度 温差信号采集借助于铜康铜热电偶传感器，当气流温度与热电偶热端温差介于50~80℃内，热电偶冷热端每1℃温差对应热电势0.043mV。则温差 2.流过不锈钢片的电流 实验中标准电阻150A/75mV故该电阻上每1mV电压对应的电流强度2AI=2×U1 式中U1是标准电阻两端电压。 3.不锈钢片两端压降 U=KU2×10-3 式中K 是分压箱倍率，K=201；U2是分压箱后测得电压mV。 4.空气来流速度 式中ρ是空气密度，由气流温度查表得出； Δh是皮托管测得来流动压，mmH2O 5.局部表面对流换热系数 实验作如下假设： （1）电加热功率均匀分布在整个圆柱表面； （2）不计圆柱表面向周围的辐射散热； （3）忽略圆柱不锈钢片的沿周向导热。 6.无量纲数， 定性尺寸为圆柱外直径，定性温度取圆柱表面和空气的平均温度。 六、实验要求 实