对流换热系数测定方法
姓名：乔迈
指导教师：罗翔
学号：SY1004319
对流换热系数测定方法
一、前言
具有初始温度T的物体，被突然置于有确定温度的流场中，该物体与流场构成一个非稳态的换热体系。
在这个非稳态换热体系中，包含着两个传热环节：一个是物体内部的导热；另一个是流体于物体边界的对流换热。
其中影响对流换热的关键参数就是对流换热系数。
对流换热系数是求解伴有表面对流换热的热传导问题的重要参数之一。
直接测定对流换热系数的方法分为稳态法与瞬态法。
稳态法对实验条件要求苛刻,实验周期长，误差大。
瞬态法由于实验周期短，误差小，近年来被广泛运用于对流换热系数测量实验，通常所说的瞬态法是通过瞬时提高来流温度或者壁面温度来达到温度阶跃，测量窄幅热色液晶显色时间，通过求解一维半无限大平板非稳态导热方程得到测量表面的对流换热系数。
实验中要达到温度的阶跃通常不容易实现，只能是近似阶跃，需要进行逐级阶跃或者指数函数进行修正。
这种处理方式可以近似解决入口温度非阶跃响应问题。
但是如果实验中存在涡流,采取突然提高来流温度的方法，并不能确定涡流温度随时间的变换曲线，对实验结果造成很大的误差。
为了解决上述问题，本文总结提出了一种测定对流换热系数的新方
法，此方法是以传热学中非稳态导热求解法中的数学分析法集总参数分析法为基础设计的特定环境下的对流换热系数测定方法，本文全面分析了各因素对对流换热系数精度的影响并进行了定量分析此方法简便可靠在一般条件下误差不超过
1.6%。
热传导热对流和热辐射一般情况下并不是独立存在的，热传导时常伴有表面对流换热。
本文研究的是零件内非等温场及其变形的研究的一部分内容，其中的热传递现象是导热对流系统，为了确定零件内的非等温场，表面对流换热系数h 是必需的参数之一，本文采用了实验法以求得此参数。
传统的实验法是以确定准则方程式的函数关系为主要内容，若采用传统的方法就显得过于复杂。
因此设计了这种以集总参数分析法为基础的对流换热系数的测定方法即把导热体看成集总体，使得导热体的温度T 只是时间t 的函数，对特定环境条件下对流换热系数的获得提供了一种方便有效的方法
二、实验的理论分析
2.1对流换热系数分析
由牛顿冷却公式和傅里叶导热定律可知对流换热系数为:
0|y w f T h T T y λ
=∂=--∂ 其中，λ为流体的导热系数，w T 为导热体壁温，f T 为流体温度，0|y T f =∂∂为
流体的温度梯度，由此式可知h 取决于流体的导热系数，温度差和贴壁流流体的温度梯度更准确地说h 取决于流体的物性和流动状况，另外，λ还受壁面形状位置，表面粗糙度等的影响。
本实验流体是空气其温度压力和速度均为定值因此雷诺数Re ，普朗特数Pr 均为常量其努谢尔特数为：
Re Pr n n hL
Nu c λ==
其中L 为导热体的特征尺寸c ，n ， m 均为可确定的常数，则:
Nu =Const
由以上分析可知对流换热系数在本实验中为定值可以用集总参数分析法进行求解。
2.2集总参数分析法 非稳态导热过程中当导热体的导热热阻L λ(λ为导热体的导热系数)远小于导热体与流体间的对流热阻1h 时，在同一瞬间导热体内各点的温度相差不大，因此可把全部物质看作一个处于平均温度下的集总体，亦即集总参数系统来分析。
该分析法通常称为集总参数分析法(Lumped Parameter Analysis)。
此时温度T 仅为时间t 的函数即T=f(t)。
应该注意只有当代表导热热阻和对流热阻之比的毕渥数0.1Bi hL =<时导热体才可看作集总体。
假设导热体的初始温度为T 0并在Bi<0.1的条件下被周围流体所冷却，导热体和流体接触的某一瞬间其能量平衡式为：
()f p dT hA T T Vc dt
ρ-=- 其中A 为与流体接触的导热体面积，ρ为导热体密度，V 为导热体体积Cp 为导热体比热，引入过余温度f T T θ=-，则dT d θ=，代入上式得：
p d hA dt Vc θθρ⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭
此式代表了导热体温度与时间的关系，假设V 、A 、h 、ρ、c p 均为已知的定值，自t =0时的0θθ=至t=t 时的θθ=，对上式进行积分得：
0ln p hA t Vc θθρ⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
即：
0ln f f p T T hA t T T Vc ρ⎛⎫⎛⎫-=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭ 0ln f p f T T Vc h T T At ρ⎛⎫-=- ⎪ ⎪-⎝⎭ （1）
三、实验装置和实验过程
本实验测定一个边长为20.1 mm 的纯铜制正方体试件的温度随时间的变化，试件的五个面绝热一个面直接接触流体。
实验装置如图1。
该实验的测量过程如下：
将恒温箱的温度设置在20℃并使其保温3s 以保持箱内流体温度的均匀性，将试件加热到80℃左右迅速放入恒温箱中的隔热盒，观察温度传感器示值当其达到50℃时开始计时，每隔1℃记下时间，直到其达到24℃时结束。
考虑到对流换热系数与壁面的位置有关实验中选取了4个不同的位置进行测量。
4实验结果及其分析
4.1实验结果
根据实验结果由式(1)可得整个测量过程中的对流换热系数见表1，20.01℃时测量间隔为1℃所得各表面对流换热系数见图2
根据实验结果0.0030.1
==<即符合集总参数分析法条件。
Bi hLλ
4.2误差分析
1、测温传感器的测温精度为±0.05℃由此引起的误差为:
1p T f
Vc h T At T T ρ∆=-∆- 0001()()
p T f f Vc h T At T T T T ρ∆=-∆-- 这两项误差分别不超过±0.38 2/(.)W m k ，±0.01 2/(.)W m k 。
2、 控温装置的测温精度为±0.2℃，温度波动幅度为±0.5℃，温度均匀度为±2℃。
测量过程中每次恒温状态下的流体温度均用测温传感器进行测量，多次测量表明验位置的温度波动幅度为±0.1℃此项误差为
0()()f p f T f f f Vc T T h T At T T T T ρ-∆=-∆--
其最大值不超过±0.662/(.)W m k 。
3、计时用秒表的精度为±0.5 s 其引起的误差
20ln f p t f T T Vc h t T T At ρ⎛⎫-∆=-∆ ⎪ ⎪-⎝⎭
其最大值不超过0.032/(.)W m k 。
4、试件的尺寸精度为±0.03 mm 其引起的误差为
0ln f p L f T T c h L T T t ρ⎛⎫-∆=-∆ ⎪ ⎪-⎝⎭
其最大值不超过±0.09 2/(.)W m k 。
5、试件的表面粗糙度对对流换热系数的影响，对参数λ的恒定值，假设热辐射以及隔热不完全引起的误差均可忽略不计，对所有误差进行数据处理所得对流换热系数相对误差在1.2~1.6%之间。
上述实验装置测量的是自然对流换热系数，对装置进行改装后，如加上进出口装置，就可以测量强迫对流换热系数。
五、结论
1、本方法的测量对象应满足Bi<0.1；
2、本文所采用的方法测得的对流换热系数可控制在1.2~1.6%之间，该方法为测定特定环境条件下的对流换热系数提供了简便可靠有效的方法。
瞬态实验方案的特点之一就是不必等待换热过程的热平衡，即在换热的过程中测量所需数据，避免了冗长的等待时间，由于试验周期短，有时热损失的处理也较为简单。
由于实验设备不需达到热平衡状态，所以在实验设备中也就省略了稳态试验设备中的冷却装置，使设备的结构得到了简化。
另外，对实验材料的耐温要求也降低了，试件不必长时间的承受高温，因此给高气温实验也带来了方便。
对于瞬态试验，人们关心的是温度的测量，而不像稳态试验那样，即关心温度的测量又关心热流密度的测量。
由于温度的测量都是瞬态的册来那个，因此对测量传感器的响应时间提出了更高的要求，瞬态过程越短，要求越高；同时在实验中，如何保证实际的边界条件与理论模型相一致，这也是瞬态试验中的一个难点，必须通过一定的实验技术措施给予满足，否则，将引起较大的实验误差，且这种误差较难给出定量分析，这也是瞬态试验的缺点之一。