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自然对流和强制对流特性实验指导书 ( 所属课程：《传热学》 ( 实验类别：机械与动力工程学院专业级 自然对流和强制对流 一、实验目的及要求 本实验的主要目的是学习横置圆柱与周围空气之间的自然对流换热与强制对流换热特性，理解对流换热系数的计算和非稳态导热过程的特点。重点考察如下问题： 通过实验测量确定平均对流换热系数 非稳态能量平衡，考察集中参数法是否使用于实验条件下的非稳态导热 风速对平均对流换热系数的影响 自然对流与强制对流换热的无量纲参数表征 采用标准关联式计算平均对流换热系数 二、基本原理及实验准备 1、基本原理、试件和任务要求 实验室准备了多种尺寸和材料的圆柱，具体如下表所示： Case No. 材料 直径[mm] 长度[mm] 1 铝 10 40 2 20 80 3 30 120 4 不锈钢 10 40 5 20 80 6 30 120 铝棒和不锈钢棒的表面都被抛光。每个圆柱将在电加热炉里进行加热，然后放置在固定台架上，与周围空气进行自然对流换热或强制对流冷却。在圆柱冷却过程中，根据圆柱的固定方式可以忽略导热的影响。圆柱与空气采用叉流方式，试验中需改变气流速度重复实验（气流速度以实测为准）。在每个圆柱上安装热电偶，记录热电偶指示温度随时间的变化关系，平均对流换热系数即可确定。 2、准备工作（做实验前要先解答下面问题） （1）case 2铝圆柱在外部空气的自然对流作用下进行冷却，温度由70°C降到50°C。外部空气的温度为环境实测温度。 在圆柱温度到达60°C的时候 (圆柱温度的中间值)，采用计算，其中C和n见教材表6-10。 计算在（a）条件下的。 的值为多少？ 辐射传热在其中占的百分比为多少？ 集中参数法模型是否适用？采用计算验证你的答案。 重复(1)的实验，空气流速设置为，考察强制对流换热对钢棒温度的影响，采用进行计算（式中的C和m值见教材表6-5）。 （2）假设在冷却过程中保持不变，根据集中参数法公式计算，考察温度会发生什么变化？请根据下式画图： (a) (b) 三、注意事项* （1）加热炉温度需控制在100°C 以下，以免烫伤； （2）取放圆柱需佩戴隔热手套； （3）试件放好后，应先连接和打开数据采集系统，然后再开启风洞 四、实验装置及测量系统 见实验室。 五、实验步骤 加热炉温度需控制在100°C 以下，以免烫伤。取放圆柱需佩戴隔热手套。为了节省时间，在同学们做实验前，实验室的老师已经将实验所需时间加热到设定温度。每个小组只测量一个圆柱的数据。降温过程只需20K左右即可。跟前面“准备工作”里面类似，物性参数可依据中间温度进行选取。在表面温度tw变化只有±10K的条件下，可认为平均换热系数的值为一定值。每个小组计算相关的无量纲参数（GrD 和 ReD），并跟其他小组的结果比较(至少三组)，得出全面分析。具体的实验过程如下： 利用工具测量你所选用的圆柱直径和长度，自行判断或向实验室老师询问你所选圆柱的材料； 将你所选用的圆柱安放到支架上； 连接热电偶，打开数据采集系统； 对于强制对流换热，利用手持式热线风速仪，将风洞的速度分别设置约为8, 6 和4 m/s（以实测为准）。 在自然和强制对流实验中，观察圆柱的温度降到50°C以下，保存实验数据； 每个小组做完实验之后，与其他小组交换数据； 六、实验数据的计算与整理 七、实验报告要求 利用测得的温度数据，计算准备工作部分里的各项计算参数，以及其他你认为比较重要的参数。实验报告需包含以下内容： 详细描述根据温度数据得到平均换热系数的计算过程。 画图表示圆柱温度随时间的变化关系（与准备工作里的（2b）类似）。 讨论实验过程中观察到的几个重要现象。比如，对比自然对流换热，强制对流气流对圆柱温度变化速率dt/d(有何影响？ 将得到的每个值转换成并计算自然对流换热中的GrD和强制对流换热中的ReD。根据计算结果和相应的计算关联式画图(vs GrD and vs ReD)。通过不同小组共享数据(至少三组)，可得到更全面的比较分析。 分析实验当中的误差来源以及它们对实验结果的影响。 八、思考问题 分析讨论实验过程中的热平衡； 分析在实验数据处理中忽略热辐射的原因。 2