传热实验指导书
具有对流换热条件的
伸展体传热特性实验
上 海 交 通 大 学
机械与动力工程学院
教学实验中心
二OO四年五月
具有对流换热条件的伸展体传热特性实验
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具有对流换热条件的伸展体传热特性实验
工程中有许多热量沿着细长突出物传递的问题。它的基本特征是：某种细长形状的物体，
从某温度的基面伸向与其温度不同的流动介质中，热量从基面沿着突出方向传递的同时，还
通过表面与流体进行对流换热。因而沿突出物的伸展方向温度也相应地变化。
本实验是测量一等截面的伸展体，在与流体间进行对流换热的条件下，沿伸展体的温度
变化。
一、实验目的及要求
通过实验和对实验数据的分析，深入了解伸展体传热的特性，并掌握求介质具有对流换
热条件的伸展体传热特性的方法。
二、基本原理
具有对流换热的等截面伸展体，当长度与截面之比很大时(常物性)其微分方程式为：
2
2
2
d
0dm
x
θ
θ
−=
(1.1)
式中：m——系数，fumλα=；
θ ——过余温度，θ
= t – t
f
，℃；
t ——伸展体温度，℃；tf ——伸展体周围介质的温度，℃；
α
——空气对壁面的换热系数，W/(m
2
·℃)；
u——伸展体周长。本实验中u=πd
0
，m；
f——伸展体横截面积，本试件为
)(42120ddf−=
π
m2
伸展体内的温度分布规律，由边界条件和m值定。
三、实验装置及测量系统
本实验装置由风道、风机、实验元件、主付加热器、测温热电偶等组成。详见装置系统
图1-1。
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试件是一紫铜管，放置在一风道中，由风机和风道造成空气均匀地横向流过管子表面的
对流换热条件。管子表面各处的换热系数基本上是相同的。管子两端装有加热器，以维持两
端处于所要求的温度状况。这样就构成了一个两端处于某温度的、中间具有对流换热条件的
等截面伸展体。
管子两端的加热器，通过调压变压器来控制其功率，以达到控制两端温度的目的。
为了改变空气对管壁的换热系数，风机的工作电压亦相应地可作调整，以改变空气流过
管子表面时的速度。
为了测量铜管沿管长的温度分布，在管内安装有可移动的热电偶测温头，其冷端就放置
在空气流中，采用的是铜-康铜热电偶。这样通过UJ−36电位差计测出的热电势，就反映了管
子各截面的过余温度。其相应的位置由带动热电偶测温头的滑动块在标尺上读出。
试件的基本参数：
管子外径d
0= 管子内径d1
=
管子长度L= 管子导热系数λ=
四、完成本实验的具体做法
1. 解方程0dd222=−θθmx
截面积为f，周长为U的等截面体，其导热系数为λ，W/(m·℃)，两端分别与相距L的两大
平壁相连接，平壁保持定温t
w1和tw2，园棒与空气接触，空气温度为tf（设tw1＞tf＜tw2
＝，棒与
空气的对流换热系数为α，W/(
m
2
·
℃
)，见图1-2，求：
(1) 棒沿x方向的过余温度
θ = t – tf 分布是：θ =θ
(x)；
(2) 分析沿x方向，棒的温度分布曲线的可能形状。分析各参数：L、U、f、λ、α、t
w1
、
t
w2、tf
对温度分布的影响；
(3) 棒的最低温度截面的位置表达式(当0＜x＜L存在最低温度值时＝；
(4) 棒两端由壁导入的热量Q
1及Q2
。
2. 练习
直径为25mm，长为300mm的钢棒[
λ
=50W/(m·℃)]，两端分别与大平壁相连接。平壁保
持定温t
w1=200℃，tw2=150℃，钢棒向四周空气散热，空气温度为tf
=20℃，对流换热系数为
1. 风机；2. 风道；3. 等截面伸展体；4. 主加热器；5. 测温热电偶；6.付加热器；
7. 热电偶拉杆及标尺； 8. 热电偶冷端；9. 电位差计； 10. 电压表；11. 风机变速开关；12. 调压变压器
图1-1 伸展体传热特性实验装置及测量系统图
图1-2
具有对流换热条件的伸展体传热特性实验
3
α
=20 W/(
m
2
·
℃
)。
(1) 计算温度分布；
(2) 求棒的最低温度点的位置及其温度值，绘出该棒的温度分布曲线；
(3) 求棒向空气的散热量；
(4) 分别求出壁面1和壁面2导入棒的导热量；
(5) 在t
w2
为什么值时，壁面2为绝热面？并画出温度分布曲线。求每小时散入空气的热量；
以上二项要求在进行实验前完成。
3. 实验要求：
(1) 测出一定条件下，导体内不同截面的过余温度值；
(2) 用测得的不同x位置过余温度θ数据求出实验条件m值及α值；
(3) 根据实验条件，求得的m值，用分析公式计算过余温度分布，过余温度最低值处的位
置及其值，并于实测结果比较。
五、实验报告要求及注意事项
1. 实验报告要求：
通过理论分析与实验实测，总结对具有对流换热表面的伸展体传热特性的认识。可以包
括具体作法中（1）（3）的基本内容。
2. 注意事项
(1) 调整加热器功率时须注意两端温度不要过高，以免烧坏测温部件。加热电压一般取V
＜100伏为宜。
(2) 实验结束后，先将调压变压器输出调到零，待试件降温至常温后再关掉风机，以免
损坏实验装置。
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采用数据采集的伸展体传热特性实验指导书
由于实验台沿管长温度分布的测量方法，已由原来依靠管内可移动热电偶测温头配以电
位差计进行逐点测量，改为沿管长均布8对固定热电偶，并用HP34970A数据自动采集系统测
量，因此实验步骤相应作如下改动：
1．检查实验的准备工作：
（1）检查热电偶信号线在采集单元功能插板（HP34901A）上是否接受（管子上8对热
电偶接在HP34601A的第1到第8通道上，进风口中热电偶接在第9通道上，而HP34901A插板
则必须插在第二槽道，因此该9对热电偶对应的通道号为201到209）。
（2）检查调压变压器电源线及变压器与实验台间的电线是否连妥。调压变压器指针应
退到零位。
（3）检查计算机和HP34970A采集单元的电源线及两者之间的接口电缆是否接妥。
2．接通调压变压器电源，小风机即开始运转，调节两调压变压器，使实验台上左右两
电压表达到适当的电压值。
3．开启HP34970A采集单元，观察各个通道面板显示值是否正常。
4．开启计算机，进到C盘（或D盘），找到“传热实验”文件夹图标，用鼠标左键双击该
图标进入文件夹，找到“伸展体导热实验”图标，双击图标即可运行伸展体实验程序：
（1）首先出现标题屏幕（要求输入姓名、班级及学号），按要求输入后按开始钮，进入
“实验引导”屏幕。
（2）“实验引导”屏幕要求检查各项准备工作，确认各项实验准备工作已经就绪后，按
结束钮，进入测量屏幕，测量屏幕上有四个按钮：测量、存Excel、画图、退出。
（3）待工况稳定后，按测量钮，HP34970A采集单元即对各通道进行多次扫描并算出各
通道数据的平均值，完成采集后屏幕上出现“Scan completed”提示，按确认钮后再按存Excal
钮，各通道的平均数据将存入Excel，按屏幕底部任务栏中的测量钮，又回到“测量”屏幕，
可按画图钮，屏幕出现实测数据及按数值解法画出的温度分布曲线。至此，实验已完成，在
退出实验前，应回到Excel屏幕（按底部任务栏中“Micro…”钮），抄录实验所得的各点温度
值，以备写实验报告时用来做数值解法，画出温度分布曲线，与实验值作比较。
（4）按底部任务栏中测量钮回到“测量”屏幕，按退出钮，可退出实验程序。