空气纵掠热板的边界层测定实验设计与教学_朱赤.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 046空气纵掠热板的边界层测定实验设计与教学朱赤，幸文婷，叶晓明(华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074)摘要:边界层理论在能源动力、航空航天、船舶海洋、气候等学科中具有广泛应用。为了加强相关专业本科生对工程传热学对流换热章节中空气外掠平板边界层特征的感性认识，能源学院实验中心开设了空气纵掠热板的边界层测定实验。实验内容包括:空气纵掠热板边界层内部速度和温度分布测定、局部对流换热系数计算、边界层轮廓测定、无量纲准则式计算 4 个部分。通过该实验教学，可让学生对空气纵掠平板速度边界层和热边界层内的参数分布、边界层厚度变化、换热能力以及努谢尔特数 Nu 和雷诺数 e 计算有了初步了解，同时可提高对温度和速度测量仪器的熟练使用。关键词:传热学;边界层;对流换热;实验教学;实验装置中图分类号:TK 124文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0244 04Experimental Design and Teaching of Boundary LayerDetermination on an Air-swept Heated Flat PlateZHU Chi，XING Wenting，YE Xiaoming(School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)Abstract:Boundary layer theory has been widely applied in energy and power，aerospace，shipbuilding andoceanography，climate science and other disciplines In order to enhance undergraduates perceptual understanding ofboundary layer characteristics of air swept plate in convection heat transfer chapter of“Engineering Heat Transfer”，theExperimental Teaching Center of Energy College sets up“Boundary layer Measurement Experiment of Air Swept aHeated Plate”The experiment consists of four parts:“determination of velocity and temperature distribution inside theboundary layer of air swept across a heated flat plate”，“calculation of local convective heat transfer coefficient”，“determination of boundary layer profile”and“calculation of non-dimensional criterion”Through the experimentalteaching，students can have a preliminary understanding of the distribution of parameters in the velocity boundary layerand thermal boundary layer of air swept flat plate，the change of boundary layer thickness，heat transfer capacity，andthe calculation of Nushelt number Nu and eynolds number e，and can improve the proficiency in the use oftemperature and velocity measurement instrumentsKey words:heat transfer;boundary layer;heat convection;experimental teaching;experimental equipment收稿日期:2022-01-24作者简介:朱赤(1986 )，男，湖北武汉人，博士，工程师，主要从事实验教学与研究。Tel:18872501205;E-mail:983600096 qq com0引言传热学是能源、机械、船舶、航天等领域的重要基础学科，一直以来都是大机械类学院本科生的必修课之一1。我校能源与动力工程学院教学实验中心多年以来一直以培养优秀本科生为目标，在实验教学和实验室建设方面进行持续探索和实践，建设了工程热物理教学实验室，并引进和自研一批实验教学设备，包括导热系数测定仪、对流换热系数测定仪、冷凝换热实验装置2、沸腾换热实验装置等，建立了系统的、独具第 12 期朱赤，等:空气纵掠热板的边界层测定实验设计与教学特色的创新人才培养体系3-6。目前针对工程传热学开出了导热系数测定、对流换热系数测定、沸腾和冷凝换热实验等 8 学时的实验教学项目，覆盖能源、机械、船海、材料、航天 5 个学院，年授课约 5 280 人时数。对流换热是热能传递 3 种基本方式之一，在工程中具有广泛应用。随着航空、航天、船舶等高端制造工业的蓬勃发展，对流体边界层传热传质特性的研究越来越多，比如欧洲未来飞行器所采用的 ACHEON 科恩达等离子矢量喷管7、高超声速飞行器研制8-10、喷水推进船舶研究11 等。同时，边界层理论在水文、环境、气候学领域也有广泛应用12-14，这些都凸显了掌握边界层理论基础的重要性。因此，为配合边界层理论教学内容，提高学生对基本现象的感性认识，实验中心近年来开设了空气纵掠热板的边界层测定实验教学项目。1空气纵掠热板边界层测定实验装置本实验使用的空气纵掠热板局部换热系数测定仪结构如图 1 所示，主要由离心风机、风洞、紫铜平板试件、控制盒、测试系统、钢结构支架等部分组成。其中，变频器用于调节离心风机转速，控制风洞气流速度。平板试件安装于风洞测试段中部，在其上方包覆一块均温紫铜板，试件内部均匀布置加热丝，通过控制盒调节加热电流和电压，控制平板壁面温度。在风洞入口上壁面处安装一毕托管，并连通压差计，用于测量气流主流区速度。图 1空气纵掠热板局部换热系数测定仪示意在风洞测试段的顶部安装金属滑道和滑块，可调整测点水平方向位置;在滑块上安装千分尺升降台，并将一个毕托管通过自制支座固定于升降台上，如图 2所示。分别将两个热电偶固定于毕托管上，其中一个测点位于 L 型毕托管的 90拐角处，与探头尖部水平位置保持一致，用于测量平板边界层内的局部空气温度;另一个测点高于前一测点约 30 mm 处(通常该高度已离开边界层范围)，用于测量气流主流区温度。通过左右移动滑块和上下调节千分尺升降台来改变毕托管的水平和垂直位置，从而测定平板边界层内各处的局部流速和温度分布。滑道侧边粘贴标尺，并且安装硅胶条用于防止漏风。整个装置的主要技术参数如表 1 所示。图 2滑动机构结构表 1空气纵掠热板局部换热系数测定仪技术参数内容参数内容参数风机功率/kW11X 轴移动范围/cm0 30平板加热功率/W300Y 轴移动范围/mm0 25平板长度/m046压差计量程/Pa0 500平板宽度/m0052实验设计空气纵掠热板边界层测定实验主要教学项目为:测定加热平板上方的速度和温度分布情况;研究空气纵掠加热平板的表面局部换热系数沿来流方向的变化规律;测量边界层厚度;计算无量纲准则式。2.1测定空气纵掠加热平板的速度和温度分布实验之前，通过拧动压差计上的调节螺丝，让指针对准零刻线位置，完成压差计校准。开启风机和加热器后，按照实验工况参数调节风机频率和加热功率，待风洞流场稳定、紫铜平板充分预热后，测定主流区动压p和温度 T。将滑块移至 x 轴上指定位置，并降低毕托管高度，使底部热电偶测点和毕托管探针接触到紫铜平板，即认为此处 y=0，测定壁面温度 Tw和动压pw;然后，仔细调节千分尺，在 y 方向上每提高 0.25mm 记录一组对应的局部温度和动压数据，直到温度和动压达到主流区的数据为止;最后，将滑块移至下一个 x 位置进行重复测定，获得对应数据。完成数据记录之后，将动压换算为空气流速，u=p/(1)式中:p 为压差计读数;为空气密度。由于毕托管探针端部具有一定尺寸，无法准确测到平板表面速度，但平板壁面吸附的流体分子处于不滑移状态，因此可假定壁面处流速为零。热电偶测点542第 41 卷接触壁面后，可测量平板表面薄层温度，该温度最接近平板的实际壁面温度。值得一提的是，工程中通常需要将热电偶通过导热介质粘贴或焊接至平板表面方能准确测得平板壁温15，本实验这种测壁温的方式仅能测量壁面附近温度，无法精确测量壁面实际温度，实验教师需要正确认识这一点并告知学生。典型的实测数据如图 3 所示，可以看出沿平板垂直方向上，随着测量高度增加:气流速度逐渐增大，最终达到来流速度，速度梯度在壁面附近变化显著;温度逐渐降低，最终达到来流温度，温度梯度在壁面附近变化显著。实测数据可较好地展示了课本中讲述的边界层形成机理，加深学生对基础知识的理解和掌握。图 3边界层内速度和温度分布实测数据2.2平板局部对流换热系数测定根据牛顿冷却公式，空气纵掠加热平板沿来流方向 x 处的局部对流换热系数hx=UIbL(Tx T)(2)式中:I 为加热电流;U 为加热电压，由控制盒上的电流表和电压表读出;b 为紫铜板宽度;L 为紫铜板长度;Tx为紫铜板 x 处近壁面温度;T为主流区空气温度。根据实测数据可绘制 hx x 曲线，如图 4 所示。由图可见:随着风机转速增加，气流速度增大，平板上的局部换热系数增大，对流换热作用增强;在固定风速下，起初换热系数随 x 增大减小，与课本上层流的局部换热系数沿平板分布趋势保持一致，但是当 x 达到某个值时，e 数超过层流的临界值，边界层进入层流与湍流的过渡状态，换热效果被强化，因此换热系数反而增大。通过计算表面换热系数可以让学生感受边界层发展所带来的换热能力变化，并对边界层发展状态图 4局部对流换热系数沿来流方向变化有直观认识。2.3空气纵掠平板边界层轮廓测定边界层内的速度和温度梯度变化较大，通常约定在 y 方向上将局部速度和温差达到来流值 99%的位置视为对应边界层的边界。根据图 3 中所测速度与温度分布数据，可得到平板不同 x 位置的边界层厚度，并且绘制边界层厚度变化图，如图 5 所示。可以看出，速度和温度边界层沿 x 方向不断增厚，与边界层理论厚度增长趋势相吻合。图 5速度和温度边界层轮廓示意2.4无量纲准则式的计算对流换热是复杂的热量交换过程，所涉及的变量参数较多，因此需要利用相似准则将参数进行归类处理。在本实验中可利用所测数据研究空气纵掠平板的平均努谢尔特数 Nu 和平均雷诺数 e 之间的变化关系，其计算式为:e=uL/，Nu=hL/(3)式中:L 为平板长度;为空气动力黏度;h 为式(2)中将局部壁温 Tx替换为平均壁温 Tw之后算出的平均换热系数;为空气导热系数。e 表征流场的惯性力与黏性力之比，可反映流场中的流动状态;Nu 反映流场换热能力与导热能力的对比关系。通常在给定的空气流场中，e 和 Nu 之间的准则关系为Nu=Cen(4)在相同加热功率下，针对不同流速进