CN108279257A - 测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其包括，根据气流流动方向从左向右依次包括：减小气流从外界进入装置后产生漩涡的进气导风段、稳定从所述进气导风段流出气流的稳定气流段、测量从所述稳定气流段流出气流质量流量的质量流量测量段、加热从所述质量流量测量段流出气流并测量加热前后气流温度的温度测量段及将从所述温度测量段流出气流平稳导出至外界的出气导风段。本发明还提供了一种测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的方法。通过本发明提供的测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置及方法不但实现了在准稳态下测量努塞尔数的目的，而且便于快速计算对流换热系数、不使用蒸汽加热、热阻较小、换热状态稳定且测量精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置及方法，特别涉及一种测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置及方法。
背景技术
在传热学的教学和学习中，无量纲的准则数和准则关联式是本科甚至研究生学习阶段的重点和难点，努塞尔数(Nu数)是传热学中的无量纲准则数，物理意义为是表示对流换热强烈程度的一个准数，又表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比。
在计算努塞尔数(Nu数)的过程中，需要计算对流换热系数(α数)，而直接计算对流换热系数十分麻烦并且误差较大；而且现有技术中测量努塞尔数(Nu数)是采用蒸汽加热空心肋片管簇，通过肋片管向空气中散热测量强迫对流加热棒簇努塞尔数(Nu数)，这种装置及方法有以下缺点：1、很难达到准稳态，测量过程空气换热状态不稳定；2、蒸汽加热有一定的滞后性；3、空心肋片管加热空气时热阻较大。因此采用蒸汽加热空心肋片管簇的测量装置及方法对流换热系数(α数)影响因素过多，不易进行准确测量。
综上所述，一种便于快速计算对流换热系数、不使用蒸汽加热、热阻较小、换热状态稳定且测量精确的测量努塞尔数装置及方法亟待开发。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种便于快速计算对流换热系数、不使用蒸汽加热、热阻较小、换热状态稳定且测量精确的测量努塞尔数装置。
本发明的目的还在于提供一种便于快速计算对流换热系数、不使用蒸汽加热、热阻较小、换热状态稳定且测量精确的测量努塞尔数方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置根据气流流动方向从左向右依次包括：减小气流从外界进入装置后产生漩涡的进气导100、稳定从所述进气导风段100流出气流的稳定气流段200、测量从所述稳定气流段200流出气流质量流量的质量流量测量段300、加热从所述质量流量测量段300流出气流并测量加热前后气流温度的温度测量段400及将从所述温度测量段400流出气流平稳导出至外界的出气导风段500；
其中，迫使气流在装置内部快速流动的风机600设于所述进气导风段进风处或所述出气导风段出风处；所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500的长度比为1:3:4:3:2～1:8:10:8:6。
优选的，所述稳定气流段200上设有一测量其内气流温度的稳定段温度探头201，所述稳定段温度探头201与稳定段温度计电连接；所述质量流量测量段300上设有测量其内气流压力的压力测量机构；所述温度测量段400设有加热其内气流的加热机构及测量其内气流温度的温度测量机构；在所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500外壁均覆有绝热材料。
优选的，所述进气导风段100为喇叭渐缩流线型，进气导风段出口处圆弧的切线与水平方向夹角为30～50°。
优选的，所述质量流量测量段300从左向右依次包括圆筒段301、喇叭形渐缩段302及喇叭形渐扩段303；所述圆筒段301的长度与直径的比为1：1～1：2；喇叭形渐缩段入口处与其出口处的直径比为3：1～4：1；所述压力测量机构包括设于圆筒段301上的第一压力探头304及设于喇叭形渐缩段302与喇叭形渐扩段303衔接处的第二压力探头305；所述第一压力探头304、所述第二压力探头305分别与第一压力计、第二压力计电连接。
优选的，所述温度测量机构包括从左向右依次设于所述温度测量段400上测量未经所述加热机构加热气流温度的前向测温探头401、测量所述加热机构加热温度的加热温度探头402及测量已经所述加热机构加热气流温度的后向测温探头403；所述前向测温探头401、加热温度探头402、及所述后向测温探头403分别与前向温度计、加热温度计及后向温度计相连；所述加热机构包括由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416垂直于气流流动方向平行排列设于所述温度测量段400内而构成且与加热温度探头402连接的加热棒簇415及加热所述加热棒簇415的加热器；所述加热器与由加热电源、设有功率调节旋钮411的功率调节器412、电压计413及电流计414组成的回路电连接。
优选的，所述加热棒簇415由若干加热棒组平行等距排列而成，每个所述加热棒组由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416沿垂直于加热棒组排列方向直线平行等距排列，相邻两个加热棒组的加热棒416呈交错排列；相邻两个加热棒组及同一加热棒组中相邻两个加热棒416的间距均为2～3cm；所述加热棒簇415中设有4～5个所述加热棒组，每个所述加热棒组中设有4～6根所述加热棒416。
优选的，所述稳定气流段出风处及所述温度测量段400进风处各设有一整流格栅700，所述整流格栅700由若干平行排列的横隔板701、纵隔板702垂直交叉连接而成，所述横隔板701、所述纵隔板702将所述整流格栅700分割成70～100个整流小单元703。
优选的，所述出气导风段500由圆锥渐缩状软材料制成，所述软材料为帆布。。
优选的，所述风机600为一变频离心风机。
一种进行强迫对流加热棒簇努塞尔数的测量方法，包括以下步骤：
步骤1，开启风机600，外界气流在风机600作用下经过进气导风段100减小漩涡后进入稳定气流段200进行稳定，经稳定段温度探头201测量稳定气流段内气流温度；
步骤2，稳定后的气流经过所述稳定气流段出风处的整流格栅700整流后进入质量流量测量段300，根据第一压力探头304、第二压力探头305测得所述质量流量测量段内气流的静压差，从而得出其内的气流质量流量；
步骤3，从所述质量流量测量段300流出的气流经过温度测量段400入口的整流格栅700再次整流后，掠过由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416构成的加热棒簇415，通电加热的加热棒棒体通过强迫对流换热将热量传递给流动的气流，通过前向测温探头401及后向测温探头403测量分别流经加热棒簇415前后气流的前向温度及后向温度，计算气流掠过加热棒簇415后的吸热量，测量完毕的气流经出气导风段500排出到外界；
步骤4，如果气流掠过加热棒簇415后的吸热量与加热棒簇415的发热量不相等，则装置未达到准稳态，调节风机600上的变频旋钮调节风机风量及调节功率调节器412上的功率调节旋钮411调节控制加热器对加热棒簇415的加热功率，重复步骤1～3；如果气流掠过加热棒簇415后的吸热量与加热棒簇415的发热量相等，则测量装置达到准稳态，读取稳定段温度计、第一压力计、第二压力计、前向温度计、加热温度计、后向温度计、电压计413及电流计414的数据，通过加热棒的换热系数K、加热棒与空气的换热热阻Rw及公式：1/α＝1/K–Rw计算对流换热系数α，再通过公式：Nu＝αD0/λw计算得出该准稳态工况下的强迫对流加热棒簇努塞尔数。
如上所述，本发明所述测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置及方法具有以下有益效果：
1、本发明中进气导风段采用喇叭形渐缩流线型状，进气导风段出口处圆弧的切线与水平方向夹角为30～50°，很大程度上减小空气进入风道的局部阻力，更加有利于气体在能量损失较小的状态下进入风道，减小进口后风道中涡旋气流区域，为流量的精确测量及快速达到准稳态创造更好的条件；经过一段相应比例长度的直线圆筒状稳定气流段减速稳定后流入质量流量测量段；
2、本发明中采用多个连续的变径段且其长度控制在一定比例范围内，保证了在装置内的气流尽量集中在轴线附近快速稳定流动，利于装置加快达到准稳态；
3、本发明将装置外壁全部覆盖绝热材料，最大限度减小热损失，有利于快速达到准稳态及提高测量精度；
4、本发明中风机(尤其是离心风机)的进口短距离内存在着较强的扰动气流，会形成一定的涡流区，导致管段截面上气流速度呈无规律分布，使得出口(或吸入口)管段上风量测试时的准确度难以保证，在有限的出风口(或吸入口)直管段距离情况下，采用设置整流格栅的方法减小管截面上的横向流和流场畸变度，使得旋转涡流消失，以形成稳定流动，选型得当，效果较好时，会使风道内流速的分布更为集中且变化较小，对风量测量十分有利；采用整流罩两次整流，使流动状态快速趋于稳定达到准稳态，快速减小了气流掠过加热棒簇时测量努塞尔数的影响因素从而提高测量精度；
5、本发明中质量流量测量段采用先收缩而后逐渐扩大的结构，喇叭形渐缩段加快气体流速，气流压力产生变化，通过压力差容易计算气流的质量流量，喇叭形渐扩段使流体逐渐减速，减小了湍流度，压力损失小；质量流量测量段减小了段内阻力，提高了流量测量的精度，虽然也可用现有的流量计测量，但当气流通过时能量损失较大，测量精度易受较大影响；
6、本发明将出气导风段设置成软连接且变径，为防止风机在长时间运行过程中产生的震动，对装置内的风道及装置与风机连接处造成密封破坏而影响气流稳定，同时使风道的尺寸、断面形状与风机进口的尺寸、断面便于连接；同时也防止加热后空气与风道摩擦造成的能量损失而减小紊流度，有助于装置快速达到准稳态且提高了测量精度；
7、本发明采用光滑加热棒簇直接通电加热且呈规则排列，避免了过多热阻的影响，无滞后性，换热状态稳定，提高流体紊流度从而有利于增大对流换热系数，能提前达到准稳态，提高了装置的测量精度且简化操作步骤；
8、本发明采用强迫对流加热棒簇在准稳态下测量努塞尔数数测量装置及方法，不仅不会因为环境温度的变化影响测量精度，而且采用了精度更高的质量流量测量段测量流量，加热棒簇采用已知导热系数的光滑实心金属加热棒，加热器直接加热金属管产生热量，可不考虑加热管内部的对流换热热阻，测量过程中综合换热热阻大大减小，整个过程短时间即可达到准稳态，测量精度提高，减小了对流换热系数的测量误差，精度较高，可操作性较强，简化了实验后期数据处理过程中的计算步骤，更有利于学生对于传热无量纲数的理解，十分适合学生在传热学实验中操作；
9、本发明将风机置于装置末端，采用抽气模式保证了装置内部风道为负压环境，且风机前有很长一段风道的整流，使进风口气流流线更趋于稳定，避免使用前置风机时风机出口处在离心力作用将空气甩出风机外，导致风机出口处流线不均匀，顶部流线密集，下部稀疏，对加热棒处的雷诺数有很大影响，不利于快速达到准稳态及准确测量。
附图说明
图1为本发明测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置的结构示意图；
图2为本发明质量流量测量段结构示意图；
图3为本发明实施例1加热棒簇的正视图；
图4为本发明实施例1加热棒簇的俯视图；
图5为本发明整流格栅示意图；
其中：100-进气导风段；200-稳定气流段；201-稳定段温度探头；300-质量流量测量段；301-圆筒段；302-喇叭形渐缩段；303-喇叭形渐扩段；304-第一压力探头；305-第二压力探头；400-温度测量段；401-前向测温探头；402-加热温度探头；403-后向测温探头；411-功率调节旋钮；412-功率调节器；413-电压计；414-电流计；415-加热棒簇；416-加热棒；500-出气导风段；600-风机；700-整流格栅；701-横隔板；702-纵隔板；703-整流小单元。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1～5，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“外”“内”“上”、、“左”、及“右”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置根据气流流动方向从左向右依次包括：减小气流从外界进入装置后产生漩涡的进气导风段100、稳定从所述进气导风段100流出气流的稳定气流段200、测量从所述稳定气流段200流出气流质量流量的质量流量测量段300、加热从所述质量流量测量段300流出气流并测量加热前后气流温度的温度测量段400及将从所述温度测量段400流出气流平稳导出至外界的出气导风段500；其中，迫使气流在装置内部快速流动的风机600设于所述进气导风段进风处或所述出气导风段出风处；所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500的长度比为1:3:4:3:2～1:8:10:8:6；所述稳定气流段200上设有一测量其内气流温度的稳定段温度探头201，所述稳定段温度探头201与稳定段温度计电连接；所述质量流量测量段300上设有测量其内气流压力的压力测量机构；所述温度测量段400设有加热其内气流的加热机构及测量其内气流温度的温度测量机构；在所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500外壁均覆有绝热材料；所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500同轴线；其中质量流量测量段300由金属制成，所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400可采用玻璃钢或聚氨酯等材料制成。
所述进气导风段100为喇叭渐缩流线型，进气导风段出口处圆弧的切线与水平方向夹角为30～50°。
所述质量流量测量段300从左向右依次包括圆筒段301、喇叭形渐缩段302及喇叭形渐扩段303；所述圆筒段301的长度与直径的比为1：1～1：2；喇叭形渐缩段入口处与其出口处的直径比为3：1～4：1；喇叭形渐缩段入口处直径与喇叭形渐缩段长度的比为1：1～1:3，喇叭形渐缩段出口处圆弧切线与水平方向夹角为21°±2°；喇叭形渐扩段入口处圆弧切线与水平方向夹角为8°～15°，合适的夹角保证气流稳定快速通过且利于精准测量；所述压力测量机构包括设于圆筒段301上的第一压力探头304及设于喇叭形渐缩段302与喇叭形渐扩段303衔接处的第二压力探头305；所述第一压力探头304、所述第二压力探头305分别与第一压力计、第二压力计电连接。
所述温度测量机构包括从左向右依次设于所述温度测量段400上测量未经所述加热机构加热气流温度的前向测温探头401、测量所述加热机构加热温度的加热温度探头402及测量已经所述加热机构加热气流温度的后向测温探头403；所述前向测温探头401、加热温度探头402、及所述后向测温探头403分别与前向温度计、加热温度计及后向温度计相连。
所述加热机构包括由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416垂直于气流流动方向平行排列设于所述温度测量段内而构成且与加热温度探头402连接的加热棒簇415及加热所述加热棒簇415的加热器；所述加热器与由加热电源、设有功率调节旋钮411的功率调节器412、电压计413及电流计414组成的回路电连接。
所述加热棒簇415由若干加热棒组平行等距排列而成，每个所述加热棒组由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416沿垂直于加热棒组排列方向直线平行等距排列，相邻两个加热棒组的加热棒416呈交错排列，如第2个加热棒组第一个加热棒设于第1个加热棒组第一个和第2个加热棒间隔位置，而非设于沿加热棒组排列方向与第1个加热棒组第一个加热棒的相邻位置；相邻两个加热棒组及同一加热棒组中相邻两个加热棒416的间距均为2～3cm；所述加热棒簇415中设有4～5个所述加热棒组，每个所述加热棒组中设有4～6根所述加热棒416。
所述稳定气流段出风处及所述温度测量段进风处各设有一整流格栅700，所述整流格栅700由若干平行排列的横隔板701、纵隔板702垂直交叉连接而成，所述横隔板701、所述纵隔板702将所述整流格栅700分割成70～100个整流小单元703。
所述出气导风段500由圆锥渐缩状软材料制成，所述软材料为帆布。。
所述风机600为一变频离心风机。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置根据气流流动方向从左向右依次包括：减小气流从外界进入装置后产生漩涡的进气导风段100、稳定从所述进气导风段100流出气流的稳定气流段200、测量从所述稳定气流段200流出气流质量流量的质量流量测量段300、加热从所述质量流量测量段300流出气流并测量加热前后气流温度的温度测量段400及将从所述温度测量段400流出气流平稳导出至外界的出气导风段500；
其中，迫使气流在装置内部快速流动的风机600设于所述出气导风段出风处；所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500的长度比为1:3:4:3:2；所述稳定气流段200上设有一测量其内气流温度的稳定段温度探头201，所述稳定段温度探头201与稳定段温度计电连接；所述质量流量测量段300上设有测量其内气流压力的压力测量机构；所述温度测量段400设有加热其内气流的加热机构及测量其内气流温度的温度测量机构；在所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500外壁均覆有绝热材料；所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500同轴线；其中质量流量测量段300由金属制成，所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400采用玻璃钢制成。
所述进气导风段100为喇叭渐缩流线型，进气导风段出口处圆弧的切线与水平方向夹角为30°。
由图2所示，所述质量流量测量段300从左向右依次包括圆筒段301、喇叭形渐缩段302及喇叭形渐扩段303；所述圆筒段301的长度与直径的比为1：1；喇叭形渐缩段入口处与其出口处的直径比为1：3，喇叭形渐缩段入口处直径与喇叭形渐缩段302长度的比为1：1，喇叭形渐缩段出口处圆弧切线与水平方向夹角为19°；喇叭形渐扩段入口处圆弧切线与水平方向夹角为8°；所述压力测量机构包括设于圆筒段301上的第一压力探头304及设于喇叭形渐缩段302与喇叭形渐扩段303衔接处的第二压力探头305；所述第一压力探头304、所述第二压力探头305分别与第一压力计、第二压力计电连接。
所述温度测量机构包括从左向右依次设于所述温度测量段400上测量未经所述加热机构加热气流温度的前向测温探头401、测量所述加热机构加热温度的加热温度探头402及测量已经所述加热机构加热气流温度的后向测温探头403；所述前向测温探头401、加热温度探头402、及所述后向测温探头403分别与前向温度计、加热温度计及后向温度计相连。
由图1所示，所述加热机构包括由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416垂直于气流流动方向平行排列设于所述温度测量段内而构成且与加热温度探头402连接的加热棒簇415及加热所述加热棒簇415的加热器(图中未示出)；所述加热器与由加热电源、设有功率调节旋钮411的功率调节器412、电压计413及电流计414组成的回路电连接；由图3、4所示，所述加热棒簇415由若干加热棒组平行等距排列而成，每个所述加热棒组由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416沿垂直于加热棒组排列方向直线平行等距排列，相邻两个加热棒组的加热棒416呈交错排列；相邻两个加热棒组及同一加热棒组中相邻两个加热棒416的间距均为2cm；所述加热棒簇415中设有5个所述加热棒组，每个所述加热棒组中设有6根所述加热棒416。
所述稳定气流段出风处及所述温度测量段进风处各设有一整流格栅700，如图5所示所述整流格栅700由若干平行排列的横隔板701、纵隔板702垂直交叉连接而成，所述横隔板701、所述纵隔板702将所述整流格栅700分割成70个整流小单元703。
所述出气导风段500由圆锥渐缩状帆布制成。
所述风机600为一变频离心风机。
实施例2：
如图1所示，本实施例提供一种测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置根据气流流动方向从左向右依次包括：减小气流从外界进入装置后产生漩涡的进气导风段100、稳定从所述进气导风段100流出气流的稳定气流段200、测量从所述稳定气流段200流出气流质量流量的质量流量测量段300、加热从所述质量流量测量段300流出气流并测量加热前后气流温度的温度测量段400及将从所述温度测量段400流出气流平稳导出至外界的出气导风段500；
其中，迫使气流在装置内部快速流动的风机600设于所述出气导风段出风处；所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500的长度比为1:8:10:8:6；所述稳定气流段200上设有一测量其内气流温度的稳定段温度探头201，所述稳定段温度探头201与稳定段温度计电连接；所述质量流量测量段300上设有测量其内气流压力的压力测量机构；所述温度测量段400设有加热其内气流的加热机构及测量其内气流温度的温度测量机构；在所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500外壁均覆有绝热材料；所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400及所述出气导风段500同轴线；其中质量流量测量段300由金属制成，所述进气导风段100、所述稳定气流段200、所述质量流量测量段300、所述温度测量段400可采用玻璃钢制成。
所述进气导风段100为喇叭渐缩流线型，进气导风段出口处圆弧的切线与水平方向夹角为50°。
由图2所示，所述质量流量测量段300从左向右依次包括圆筒段301、喇叭形渐缩段302及喇叭形渐扩段303；所述圆筒段301的长度与直径的比为1：2；喇叭形渐缩段入口处与其出口处的直径比为1：4，喇叭形渐缩段出口处圆弧切线与水平方向夹角为23°；喇叭形渐扩段入口处圆弧切线与水平方向夹角为15°；所述压力测量机构包括设于圆筒段301上的第一压力探头304及设于喇叭形渐缩段302与喇叭形渐扩段303衔接处的第二压力探头305；所述第一压力探头304、所述第二压力探头305分别与第一压力计、第二压力计电连接。
所述温度测量机构包括从左向右依次设于所述温度测量段400上测量未经所述加热机构加热气流温度的前向测温探头401、测量所述加热机构加热温度的加热温度探头402及测量已经所述加热机构加热气流温度的后向测温探头403；所述前向测温探头401、加热温度探头402、及所述后向测温探头403分别与前向温度计、加热温度计及后向温度计相连。
由图1所示，所述加热机构包括由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416垂直于气流流动方向平行排列设于所述温度测量段内而构成且与加热温度探头402连接的加热棒簇415及加热所述加热棒簇415的加热器(图中未示出)；所述加热器与由加热电源、设有功率调节旋钮411的功率调节器412、电压计413及电流计414组成的回路电连接；所述加热棒簇415由若干加热棒组平行等距排列而成，每个所述加热棒组由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416沿垂直于加热棒组排列方向直线平行等距排列，相邻两个加热棒组的加热棒呈交错排列；相邻两个加热棒组及同一加热棒组中相邻两个加热棒的间距均为3cm；所述加热棒簇415中设有4个所述加热棒组，每个所述加热棒组中设有4根所述加热棒416。
所述稳定气流段出风处及所述温度测量段进风处各设有一整流格栅700，由图5所示，所述整流格栅700由若干平行排列的横隔板701、纵隔板702垂直交叉连接而成，所述横隔板701、所述纵隔板702将所述整流格栅700分割成100个整流小单元703。
所述出气导风段500由圆锥渐缩状帆布制成。
所述风机600为一变频离心风机。
使用实施例1或者实施例2所述测量装置通过以下步骤测量强迫对流加热棒簇努塞尔数：
步骤1，装置采用抽气模式，开启设于装置末端的变频离心风机，外界气流在变频离心作用下经过进气导风段100减小漩涡后进入稳定气流段200进行稳定，经稳定段温度探头201测量稳定气流段内气流温度；
步骤2，稳定后的气流经过所述稳定气流段出风处的整流格栅700整流后进入质量流量测量段300，根据第一压力探头304、第二压力探头305测得所述质量流量测量段内气流的静压差，从而得出其内的气流质量流量；
步骤3，从所述质量流量测量段300流出的气流经过温度测量段入口的整流格栅700再次整流后，掠过由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒416构成的加热棒簇415，通电加热的加热棒棒体通过强迫对流换热将热量传递给流动的气流，通过前向测温探头401及后向测温探头403测量分别流经加热棒簇415前后气流的前向温度及后向温度，计算气流掠过加热棒簇415后的吸热量，测量完毕的气流经出气导风段500及变频离心风机排出到外界；
步骤4，如果气流掠过加热棒簇415后的吸热量与加热棒簇415的发热量不相等，则装置未达到准稳态，调节变频离心风机上的变频旋钮调节风机风量及调节功率调节器412上的功率调节旋钮411调节控制加热器对加热棒簇415的加热功率，重复步骤1～3直到气流掠过加热棒簇415后的吸热量与加热棒簇415的发热量相等；如果气流掠过加热棒簇415后的吸热量与加热棒簇415的发热量相等，则装置达到准稳态，读取稳定段温度计、第一压力计、第二压力计、前向温度计、加热温度计、后向温度计、电压计413及电流计414的数据，通过加热棒的换热系数K、加热棒与空气的换热热阻Rw及公式：1/α＝1/K–Rw计算对流换热系数α，再通过公式：Nu＝αD0/λw计算得出该准稳态工况下的强迫对流加热棒簇努塞尔数。
通过步骤2中的测得的第一压力探头304、第二压力探头305测得的数值得出质量流量测量段内气流的静压差，从而可以计算出进入到该装置内部的空气气流的质量流量；再根据步骤前向温度及后向温度，可计算出进入到该装置内部的空气掠过加热簇后的吸热量Q1，一般情况下稳定段温度探头201测得的温度与前向测温探头401温度测得的温度非常接近，但当气流速度比较大时(一般要接近音速)，由于质量流量测量段300有渐扩段，压力能和内能互相转化，导致两处温度不一样，这样进口空气温度还未到加热段就会发生变化，因此，遇到稳定段温度探头201测得的温度与前向测温探头401温度测得的温度不同时，取两者平均温度作为进口温度，通过此进口温度及后向温度可计算出进入到该装置内部的空气掠过加热簇后的吸热量Q1；由电压计413及电流计414数值计算出加热后的加热簇的发热量Q2；
如果Q1、Q2不相等，则装置未达到准稳态，需调节变频离心风机上的变频旋钮调节风机风量及调节功率调节器412上的功率调节旋钮411调节控制加热器对加热棒簇415的加热功率；
如果Q1、Q2相等，则装置达到准稳态，加热温度计度数温度不变或变化率小于5％(或者更小)，读取稳定段温度计、第一压力计、第二压力计、前向温度计、后向温度计、电压计413及电流计414的数据，通过加热棒416的换热系数K、加热棒416与空气的换热热阻Rw及公式：1/α＝1/K–Rw计算对流换热系数α，再通过公式：Nu＝αD0/λw计算得出该准稳态工况下的强迫对流加热棒簇努塞尔数。
通过进入到该装置内部的空气气流的质量流量及公式(Gm:质量流量、D0:加热棒外径)计算出Re，根据Re可以判断气流掠过加热簇的紊流度，如果紊流度达不到要求则需调整加热簇中加热棒的间距、排列方式及各部分长度等各参数，装置内紊流一般大于105，紊流度的提高有利于增大对流换热系数，能帮助该装置提前达到准稳态。
对于光滑加热棒，棒外换热系数可以有不同的定义公式。可以以光棒外表面为基准定义换热系数，也可以以棒外表面积为基准定义。为了研究和使用方便，此处采用光棒外表面积作为基准，即：
式中：Q为总换热量或者吸热量(W)，n为加热棒的根数，π·Do·L为一支加热棒的光棒换热面积(m2),Ta为空气平均温度(℃)，Two为加热棒光棒外壁温度(℃)，此处，α的单位为(w/m2·℃)。如何测求加热棒簇平均棒外换热系数α是关键。如果直接由式(1)来测求α，势必要测量加热棒棒壁平均温度Two，这是一件很困难的任务。因此通过准则关联式得出某一工况下的对流换热系数是比较快捷的计算方法，准则关联式的实验测量方法，如何提高其精度和简化过程是传热学教学实验中研究的重点，本案采用一种工程上更通用的方法，即：威尔逊方法测求棒外换热系数，这一方法的要点是先测求出给定条件下的传热系数，然后从传热热阻中减去已知的各项热阻，即可间接地求出棒外换热热阻和换热系数：
1/α＝1/K–Rw (2)
式中：K为光滑加热棒的换热系数，可由实验求出：
其中：Tv代表加热棒棒体的平均温度，Tα为空气流过加热棒簇的后向温度。
加热棒棒壁的导热热阻Rw(m2/℃/w)由棒壁的导热公式计算：
(λw为常数) (4)
应当注意，式(1)中的各项热阻都是以加热棒光棒外表面积基准的。
由式(2)、(3)及(4)可求出换热系数α；
再由Nu＝αD0/λw计算得到强迫对流加热棒簇努塞尔数。
本发明采用一定质量流量的空气在强迫对流条件下流过电加热器加热的加热棒簇，当加热棒簇产生的热量与空气带走的热量十分接近，即准稳态时，测出空气的质量流量、加热棒簇前向和后向的空气温度，根据牛顿冷却定律算出棒簇外表面的对流换热系数，进而算出准稳态条件下的努塞尔数。采用该方法和该装置进行测算努塞尔数时，不仅不会因为环境温度的变化影响测量精度，而且在实验过程中采用了精度更高的质量流量测量段测量流量，加热棒簇采用已知导热系数的光滑管，减小了管外对流换热系数的测量误差。因此，通过该方法和该装置测量出来的准稳态条件下的努塞尔数精度较高，可操作性较强，十分适合本科生的传热学实验操作。采用强迫对流空气掠过绝热保温风洞中加热棒簇的装置，当空气带走的热量与换热管产生的热量近似相等时，可方便的测出此况下的管外换热系数，进而测出努塞尔数，增强了本科生对传热学中准则数的理解与应用。它包括空气整流装置、空气动力装置、流量测量装置、换热管加热装置、各处温度和压力测量装置、风洞风量调节装置和加热功率调节装置。空气测量装置质量流量测量段两端连接空气进口装置和加热管风洞，当空气流经质量流量测量段时，质量流量测量段上的压力测试装置可方便的测出不同口径出的空气静压。当空气流出质量流量测量段后，经过整流罩进入加热棒簇，流经加热棒簇后获得热量。调节加热器的功率旋钮可增大或减小加热功率，调节风机变频器上的变频旋钮可调节风洞中的风量大小。整个风洞采用绝热材料处理，可视为绝热风洞。所有数据可与数据采集仪连接并可通过电脑处理或人工处理。加热管属于实心光滑金属加热管，导热系数已知、加热器直接加热金属管产生热量，可不考虑加热管内部的对流换热热阻。测量过程中综合换热热阻大大减小，整个过程短时间即可达到准稳态，测量精度提高，误差减小。风机采用抽气模式，将空气经过进口装置吸入绝热风洞，经测温装置测定空气进口温度，经过整流罩整流，进入质量流量测量段，根据质量流量测量段测压装置测定的静压差得出风洞中的空气的质量流量。空气经过加热器进口的整流罩再次整流后，进入加热棒簇，加热棒为已知导热系数的金属通过电加热棒体发热，通过强迫对流换热将热量传递给流动的空气。空气流经前向温度计和后向温度计，经风机排出风洞。可调节风机的频率和加调节旋钮和加热器的加热功率旋钮改变风洞中的风量大小和加热功率大小。当空气掠过加热棒簇达到准稳态过程时，可读取前向温度测量装置和后向温度测量装置、电压表和电流表、加热棒簇的温度测量装置各项数据，通过热阻计算得出此工况准稳态下的对流换热系数和努塞尔数。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其特征在于，根据气流流动方向从左向右依次包括：减小气流从外界进入装置后产生漩涡的进气导风段、稳定从所述进气导风段流出气流的稳定气流段、测量从所述稳定气流段流出气流质量流量的质量流量测量段、加热从所述质量流量测量段流出气流并测量加热前后气流温度的温度测量段及将从所述温度测量段流出气流平稳导出至外界的出气导风段；
其中，迫使气流在装置内部快速流动的风机设于所述进气导风段进风处或所述出气导风段出风处；所述进气导风段、所述稳定气流段、所述质量流量测量段、所述温度测量段及所述出气导风段的长度比为1:3:4:3:2～1:8:10:8:6。
2.根据权利要求1所述的测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其特征在于，所述稳定气流段上设有一测量其内气流温度的稳定段温度探头，所述稳定段温度探头与稳定段温度计电连接；所述质量流量测量段上设有测量其内气流压力的压力测量机构；所述温度测量段设有加热其内气流的加热机构及测量其内气流温度的温度测量机构；在所述稳定气流段、所述质量流量测量段、所述温度测量段及所述出气导风段外壁均覆有绝热材料。
3.根据权利要求1或2所述的测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其特征在于，所述进气导风段为喇叭渐缩流线型，进气导风段出口处圆弧的切线与水平方向夹角为30～50°。
4.根据权利要求2所述的测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其特征在于，所述质量流量测量段从左向右依次包括圆筒段、喇叭形渐缩段及喇叭形渐扩段；所述圆筒段的长度与直径的比为1：1～1：2；喇叭形渐缩段入口处与其出口处的直径比为3：1～4：1；所述压力测量机构包括设于圆筒段上的第一压力探头及设于喇叭形渐缩段与喇叭形渐扩段衔接处的第二压力探头；所述第一压力探头、所述第二压力探头分别与第一压力计、第二压力计电连接。
5.根据权利要求2或4所述的一种测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其特征在于，所述温度测量机构包括从左向右依次设于所述温度测量段上测量未经所述加热机构加热气流温度的前向测温探头、测量所述加热机构加热温度的加热温度探头及测量已经所述加热机构加热气流温度的后向测温探头；所述前向测温探头、加热温度探头、及所述后向测温探头分别与前向温度计、加热温度计及后向温度计相连；所述加热机构包括由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒垂直于气流流动方向平行排列设于所述温度测量段内而构成且与加热温度探头连接的加热棒簇及加热所述加热棒簇的加热器；所述加热器与由加热电源、设有功率调节旋钮的功率调节器、电压计及电流计组成的回路电连接。
6.根据权利要求5所述的测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其特征在于，所述加热棒簇由若干加热棒组平行等距排列而成，每个所述加热棒组由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒沿垂直于加热棒组排列方向直线平行等距排列，相邻两个加热棒组的加热棒呈交错排列；相邻两个加热棒组及同一加热棒组中相邻两个加热棒的间距均为2～3cm；所述加热棒簇中设有4～5个所述加热棒组，每个所述加热棒组中设有4～6根所述加热棒。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其特征在于，所述稳定气流段出风处及所述温度测量段进风处各设有一整流格栅，所述整流格栅由若干平行排列的横隔板、纵隔板垂直交叉连接而成，所述横隔板、所述纵隔板将所述整流格栅分割成70～100个整流小单元。
8.根据权利要求7所述的测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其特征在于，所述出气导风段由圆锥渐缩状软材料制成，所述软材料为帆布。
9.根据权利要求8所述的测量强迫对流加热棒簇努塞尔数的装置，其特征在于，所述风机为一变频离心风机。
10.一种采用权利要求1至9任一项装置进行强迫对流加热棒簇努塞尔数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，开启风机，外界气流在风机作用下经过进气导风段减小漩涡后进入稳定气流段进行稳定，经稳定段温度探头测量稳定气流段内气流温度；
步骤2，稳定后的气流经过所述稳定气流段出风处的整流格栅整流后进入质量流量测量段，根据第一压力探头、第二压力探头测得所述质量流量测量段内气流的静压差，从而得出其内的气流质量流量；
步骤3，从所述质量流量测量段流出的气流经过温度测量段入口的整流格栅再次整流后，掠过由若干已知温度系数光滑实心金属加热棒构成的加热棒簇，通电加热的加热棒棒体通过强迫对流换热将热量传递给流动的气流，通过前向测温探头及后向测温探头测量分别流经加热棒簇前后气流的前向温度及后向温度，计算气流掠过加热棒簇后的吸热量，测量完毕的气流经出气导风段排出到外界；
步骤4，如果气流掠过加热棒簇后的吸热量与加热棒簇的发热量不相等，则装置未达到准稳态，调节风机上的变频旋钮调节风机风量及调节功率调节器上的功率调节旋钮调节控制加热器对加热棒簇的加热功率，重复步骤1～3；如果气流掠过加热棒簇后的吸热量与加热棒簇的发热量相等，则装置达到准稳态，读取稳定段温度计、第一压力计、第二压力计、前向温度计、加热温度计、后向温度计、电压计及电流计的数据，通过加热棒的换热系数K、加热棒与空气的换热热阻Rw及公式：1/α＝1/K–Rw计算对流换热系数α，再通过公式：Nu＝αD0/λw计算得出该准稳态工况下的强迫对流加热棒簇努塞尔数。
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