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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)定方法 姓 名:?jiǎn)?邁 指導(dǎo)教師:羅 翔 學(xué) 號(hào):SY對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)定方法一、前言具有初始溫度T的物體,被突然置于有確定溫度的流場(chǎng)中,該物體與流場(chǎng)構(gòu)成一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的換熱體系。在這個(gè)非穩(wěn)態(tài)換熱體系中,包含著兩個(gè)傳熱環(huán)節(jié):一個(gè)是物體內(nèi)部的導(dǎo)熱;另一個(gè)是流體于物體邊界的對(duì)流換熱。其中影響對(duì)流換熱的關(guān)鍵參數(shù)就是對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)是求解伴有表面對(duì)流換熱的熱傳導(dǎo)問(wèn)題的重要參數(shù)之一。直接測(cè)定對(duì)流換熱系數(shù)的方法分為穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻,實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng),誤差大。瞬態(tài)法由于實(shí)驗(yàn)周期短,誤差小,近年來(lái)被廣泛運(yùn)用于對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn),通常所說(shuō)的瞬態(tài)法是通
2、過(guò)瞬時(shí)提高來(lái)流溫度或者壁面溫度來(lái)達(dá)到溫度階躍,測(cè)量窄幅熱色液晶顯色時(shí)間,通過(guò)求解一維半無(wú)限大平板非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程得到測(cè)量表面的對(duì)流換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中要達(dá)到溫度的階躍通常不容易實(shí)現(xiàn),只能是近似階躍,需要進(jìn)行逐級(jí)階躍或者指數(shù)函數(shù)進(jìn)行修正。這種處理方式可以近似解決入口溫度非階躍響應(yīng)問(wèn)題。但是如果實(shí)驗(yàn)中存在渦流,采取突然提高來(lái)流溫度的方法,并不能確定渦流溫度隨時(shí)間的變換曲線,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大的誤差。為了解決上述問(wèn)題,本文總結(jié)提出了一種測(cè)定對(duì)流換熱系數(shù)的新方法,此方法是以傳熱學(xué)中非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱求解法中的數(shù)學(xué)分析法集總參數(shù)分析法為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的特定環(huán)境下的對(duì)流換熱系數(shù)測(cè)定方法,本文全面分析了各因素對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)精度
3、的影響并進(jìn)行了定量分析此方法簡(jiǎn)便可靠在一般條件下誤差不超過(guò)1.6%。熱傳導(dǎo)熱對(duì)流和熱輻射一般情況下并不是獨(dú)立存在的,熱傳導(dǎo)時(shí)常伴有表面對(duì)流換熱。本文研究的是零件內(nèi)非等溫場(chǎng)及其變形的研究的一部分內(nèi)容,其中的熱傳遞現(xiàn)象是導(dǎo)熱對(duì)流系統(tǒng),為了確定零件內(nèi)的非等溫場(chǎng),表面對(duì)流換熱系數(shù)h是必需的參數(shù)之一,本文采用了實(shí)驗(yàn)法以求得此參數(shù)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)法是以確定準(zhǔn)則方程式的函數(shù)關(guān)系為主要內(nèi)容,若采用傳統(tǒng)的方法就顯得過(guò)于復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)了這種以集總參數(shù)分析法為基礎(chǔ)的對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)定方法即把導(dǎo)熱體看成集總體,使得導(dǎo)熱體的溫度T只是時(shí)間t的函數(shù),對(duì)特定環(huán)境條件下對(duì)流換熱系數(shù)的獲得提供了一種方便有效的方法二、實(shí)驗(yàn)的理論分析
4、2.1對(duì)流換熱系數(shù)分析由牛頓冷卻公式和傅里葉導(dǎo)熱定律可知對(duì)流換熱系數(shù)為:其中,為流體的導(dǎo)熱系數(shù),為導(dǎo)熱體壁溫,為流體溫度,為流體的溫度梯度,由此式可知h取決于流體的導(dǎo)熱系數(shù),溫度差和貼壁流流體的溫度梯度更準(zhǔn)確地說(shuō)h取決于流體的物性和流動(dòng)狀況,另外,還受壁面形狀位置,表面粗糙度等的影響。本實(shí)驗(yàn)流體是空氣其溫度壓力和速度均為定值因此雷諾數(shù)Re,普朗特?cái)?shù)Pr均為常量其努謝爾特?cái)?shù)為:其中L為導(dǎo)熱體的特征尺寸c ,n, m均為可確定的常數(shù),則:Const由以上分析可知對(duì)流換熱系數(shù)在本實(shí)驗(yàn)中為定值可以用集總參數(shù)分析法進(jìn)行求解。2.2集總參數(shù)分析法非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中當(dāng)導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱熱阻(為導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù))遠(yuǎn)小
5、于導(dǎo)熱體與流體間的對(duì)流熱阻時(shí),在同一瞬間導(dǎo)熱體內(nèi)各點(diǎn)的溫度相差不大,因此可把全部物質(zhì)看作一個(gè)處于平均溫度下的集總體,亦即集總參數(shù)系統(tǒng)來(lái)分析。該分析法通常稱為集總參數(shù)分析法(Lumped Parameter Analysis)。此時(shí)溫度T僅為時(shí)間t的函數(shù)即T=f(t)。應(yīng)該注意只有當(dāng)代表導(dǎo)熱熱阻和對(duì)流熱阻之比的畢渥數(shù)時(shí)導(dǎo)熱體才可看作集總體。假設(shè)導(dǎo)熱體的初始溫度為T0并在Bi<0.1的條件下被周圍流體所冷卻,導(dǎo)熱體和流體接觸的某一瞬間其能量平衡式為:其中A為與流體接觸的導(dǎo)熱體面積,為導(dǎo)熱體密度,V為導(dǎo)熱體體積Cp為導(dǎo)熱體比熱,引入過(guò)余溫度,則,代入上式得:此式代表了導(dǎo)熱體溫度與時(shí)間的關(guān)系,假
6、設(shè)V、A、h、cp均為已知的定值,自t =0時(shí)的至t=t時(shí)的,對(duì)上式進(jìn)行積分得:即: (1)三、實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過(guò)程本實(shí)驗(yàn)測(cè)定一個(gè)邊長(zhǎng)為20.1 mm的純銅制正方體試件的溫度隨時(shí)間的變化,試件的五個(gè)面絕熱一個(gè)面直接接觸流體。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量過(guò)程如下:將恒溫箱的溫度設(shè)置在20并使其保溫3s以保持箱內(nèi)流體溫度的均勻性,將試件加熱到80左右迅速放入恒溫箱中的隔熱盒,觀察溫度傳感器示值當(dāng)其達(dá)到50時(shí)開始計(jì)時(shí),每隔1記下時(shí)間,直到其達(dá)到24時(shí)結(jié)束??紤]到對(duì)流換熱系數(shù)與壁面的位置有關(guān)實(shí)驗(yàn)中選取了4個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)量。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果由式(1)可得整個(gè)測(cè)量過(guò)程中的對(duì)流
7、換熱系數(shù)見表1,20.01時(shí)測(cè)量間隔為1所得各表面對(duì)流換熱系數(shù)見圖2根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果即符合集總參數(shù)分析法條件。4.2誤差分析1、測(cè)溫傳感器的測(cè)溫精度為±0.05由此引起的誤差為:這兩項(xiàng)誤差分別不超過(guò)±0.38 ,±0.01 。2、 控溫裝置的測(cè)溫精度為±0.2,溫度波動(dòng)幅度為±0.5,溫度均勻度為±2。測(cè)量過(guò)程中每次恒溫狀態(tài)下的流體溫度均用測(cè)溫傳感器進(jìn)行測(cè)量,多次測(cè)量表明驗(yàn)位置的溫度波動(dòng)幅度為±0.1此項(xiàng)誤差為其最大值不超過(guò)±0.66。3、計(jì)時(shí)用秒表的精度為±0.5 s其引起的誤差其最大值不超過(guò)0.03。4、
8、試件的尺寸精度為±0.03 mm其引起的誤差為其最大值不超過(guò)±0.09 。5、試件的表面粗糙度對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響,對(duì)參數(shù)的恒定值,假設(shè)熱輻射以及隔熱不完全引起的誤差均可忽略不計(jì),對(duì)所有誤差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理所得對(duì)流換熱系數(shù)相對(duì)誤差在1.21.6%之間。 上述實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量的是自然對(duì)流換熱系數(shù),對(duì)裝置進(jìn)行改裝后,如加上進(jìn)出口裝置,就可以測(cè)量強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)。五、結(jié)論1、本方法的測(cè)量對(duì)象應(yīng)滿足Bi<0.1;2、本文所采用的方法測(cè)得的對(duì)流換熱系數(shù)可控制在1.21.6%之間,該方法為測(cè)定特定環(huán)境條件下的對(duì)流換熱系數(shù)提供了簡(jiǎn)便可靠有效的方法。瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方案的特點(diǎn)之一就是不必等待換熱過(guò)程的熱平衡,即在換熱的過(guò)程中測(cè)量所需數(shù)據(jù),避免了冗長(zhǎng)的等待時(shí)間,由于試驗(yàn)周期短,有時(shí)熱損失的處理也較為簡(jiǎn)單。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不需達(dá)到熱平衡狀態(tài),所以在實(shí)驗(yàn)設(shè)備中也就省略了穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)設(shè)備中的冷卻裝置,使設(shè)備的結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化。另外,對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的耐溫要求也降低了,試件不必長(zhǎng)時(shí)間的承受高溫,因此給高氣溫實(shí)驗(yàn)也帶來(lái)了方便。對(duì)于瞬態(tài)試驗(yàn),人們關(guān)心的是溫度的測(cè)量,而不像穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)?zāi)菢樱搓P(guān)心溫度的測(cè)量又關(guān)心熱流密度的測(cè)量。由于溫度的測(cè)量都是瞬態(tài)的冊(cè)來(lái)那個(gè),因此對(duì)測(cè)
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