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 Qconv=hA(Ts−T∞)
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
Qconv=Q−Qrad
上式中Q为电加热功率，Qrad为辐射换热量。辐射换热量可由
Qrad=εσA(TS4−T∞4)确定，因此，对流换热系数可由下式计算得到
i
i
i
i
i
i
h=[Q/A−εσ(TS4−T∞4)]/(TS−T∞)
h-对流换热系数，W/m2⋅°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，5.67×10−8W/m2⋅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 h=
Q
A(TS−T∞)
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=CRenPrm
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=CRen
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
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Nu=
hDVD
Re=∞
kf νD-圆柱体的直径，m；kf-空气的热导率，W/m⋅°C；V∞-空气的来流速度，m/s；
ν-空气的运动粘度，m2/s
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=CRen取对数，即得
lgNu=lgC+nlgRe
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（最大风速达3.8m/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
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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
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（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. 开启加热电源，将加热电流控制在一固定值（建议在25A左右）；
5. 通过旋转可调旋钮来控制管壁热电偶测量点与来流气流的夹角。首先，测量0度时的热电势，待加热稳定后，即电位差计读数保持不变（大约需要30分钟），使用万用表测量实验管两端电压，用电位差计记录测量
点的热电势，由温度计记录来流温度（环境温度），用同样的方法测量30度、60度、90度、120度、150度、180度角时的各物理量（各角度达到热平衡约需5分钟）。
6. 改变风速3-4次，每次改变约0.8m/s，重复4过程，将实验数据填入表格； 7. 实验完毕时，先切断试验段加热电源，关闭电位差计、万用表，待实验管冷却后再停止风机。
（五）试验数据记录及处理 1. 已知数据
管径 管长 风 道 （D/mm） （L/mm） 长（mm） 宽（mm） 48 40 160 80
2. 数据记录
空气横掠柱体强制对流换热数据记录表
室温_____℃
风速 角度 加热功率测量 电位差计读数 备注
序号
m/s 度 电流A 电压 V mv 1 0 2 30 3 60 4 90 5 120 6 150 7 iii
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3、对流换热系数h 的计算
(1) 圆柱体上电加热功率 Q=IU
圆柱体的表面积为A=πDL=π×0.048×0.04=0.00603m2 (2) 温度的处理
管外壁温 Ts ：由于表面各点温度差异较显著，应每隔30°测一次热电偶电势，取其平均值。由热电偶中间温度定律计算得参考端温度为0°C时的热电势，再由热电偶分度表查出温度对应的温度Ts。 环境温度T∞由实验室温度计读出。 (3)对流换热系数的计算 h=
Q
A(TS−T∞)
4、准则方程中两个常数c和n的确定 由所测数据计算得努塞尔数 Nu=
hDVD
，雷诺数Re=∞
νkf
代入准则关系式可得到准则数。
在对数坐标轴上，以Nu数为纵坐标，Re数为横坐标，对实验点进行线性拟和，由于
lgNu=lgc+nlgRe
这条直线的斜率为n,截距为lgc，由此可得常数c和n。
5、误差分析
将实验结果与下列参考书给出的空气横掠圆柱时强迫对流换热经验准则方程式进行比较，并给出必要分析。
Re=40~4000,Nu=0.683Re0.466Pr3 Re=4000~40000,Nu=0.193Re0.618Pr
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（六）实验分析
1．被测圆柱表面上温度是否一致？为什么？说明温度随角度变化的规律，并分析原因。如何使实验所得数据尽量接近圆柱表面平均温度？
2．表面换热方式除对流换热外，还有辐射换热，为什么在本实验中没有考虑辐射换热？假设实验管表面黑度ε=0.1，试比较表面对流换热量与辐射换热量的相对大小。
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