热工实验指导书

1、热工实验指导书唐慕萱王素美姜慧娟东南大学能源与环境学院二O O九年二月目 录实验一空气定压比热容测定 2实验二空气绝热指数的测定 7实验三喷管实验一气体在喷管中流动性能的测定 11实验四管道沿程阻力测定 19实验五圆柱、机翼等物体的绕流流动显示观察 24实验六绕圆柱体压力分布的测定 26实验七稳态双平板法测定非金属材料的导热系数 30实验八恒热流准稳态平板法测定材料热物性 34实验九空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定 39实验十辐射换热角系数的测定 49实验H一材料表面法向热发射率（黑度）的测定 52附 录 56实验一空气定压比热容测定一、实验目的1 .增强热物性实验研究方面的感性认识，促进理

2、论联系实际，了解气体比热容测定 的基本原理和构思。2 .学习本实验中所涉及的各种参数的测量方法，掌握由实验数据计算出比热容数值和比热容关系式的方法。3 .学会实验中所用各种仪表的正确使用方法。 二、实验原理由热力学可知，气体定压比热容的定义式为(i)c h hcp (T)p在没有对外界作功的气体定压流动过程中,dhdQp一p ,此时气体的定压比热容可M表不为(2)t 2时,气体在此温度范围内的平均定压比1 Qcp(T) pM T当气体在此定压过程中由温度11被加热至热容可由下式确定t2QpCpmt (kJ/kg C)t1M(t2ti)式中，M气体的质量流量，kg/s;Q一气体在定压流动过程中吸

3、收的热量，kJ/s。大气是含有水蒸汽的湿空气。当湿空气由温度ti被加热至t2时，其中的水蒸汽也要吸收热量，这部分热量要根据湿空气的相对湿度来确定。如果计算干空气的比热容，必 须从加热给湿空气的热量中扣除这部分热量，剩余的才是干空气的吸热量。低压气体的比热容通常用温度的多项式表示，例如空气比热容的实验关系式为cp 1.02319 1.76019 10 4T 4.02402 10 7T2 4.87268 1016T3(kJ/kgK)式中T为绝对温度，单位为 Ko该式可用于250600K范围的空气，平均偏差为 0.03%, 最大偏差为0.28%。在距室温不远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系

4、可近似认为是线性 的，即可近似的表示为cp A Bt(4)由t 1加热到t 2的平均定压比热容则为cpm t2：dt A Bt_ A Btm (5)i t2 t12这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度t m = ( t 1 + t 2 ) / 2 时的定压比热容。因此，可以对某一气体在 n个不同的平均温度t m i下测出其定压比热容 C p m i , 然后根据最小二乘法原理，确定tmiCpmi tmiC t 2Jpmimi(tmi)2 n /(6)t mi Cpmi n tmi Cpmi(7)二：(tmi )n t mi从而便可得到比热容的实验关系式。 三、实验设备1 .整个实验装置由风

5、机、流量计、测试比热容仪器本体、电功率调节系统及测量系 统共四部分组成，如图 1所示。2 .比热容仪器本体由图 2所示。3 .空气（或其它气体）由风机经流量计送入比热容仪本体，经加热、均流、旋流、 混流、测温后流出。气体流量由节流阀控制， 气体出口温度由输入电加热器的电压调节。4 .该比热容仪可测量 300c以下气体的定压比热容。图2比热容仪本体图四、实验步骤1 .按图1所示接好电源线和测量仪表。经指导教师认可后接通电源，将选择所需的 出口温度计插入混流网的凹槽中。2 .小心取下流量计上的温度计。开动风机，调节流阀，使流量保持在预定值附近， 测出流量计出口处的干球温度 t a和湿球温度tw。3

6、 .将温度计放回原位。调节流量，使它保持在预定值附近。 调节电压，开始加热（加 热功率的大小取决于气体流量和气流进出口温度差，可依据关系式Q=K 12 At / P进行估算，式中 Q为加热功率， W At为比热容仪本体进出口温度差，C;。为每流过10升空气所需要的时间,s ; K为设备修正系数 )。4 .待出口温度稳定后(出口温度在10分钟内无变化或有微小变化，即可视为稳定)，即可采集实验数据。需采集的数据有：(1)每10升气体通过流量计时所需的时间r (s);(2)比热容仪进口温度 t 1 (C)与出口温度 t 2 (C)；(3)当时大气压力 B (mmHg 和流量计出口处的表压力A h (

7、mm2O;(4)电加热器的电压 U (V)和电流I( A );5 .改变电压，使出口温度改变并达到新的预定值，重复步骤 4。在允许的时间内可 多做几次实验。将上述实验数据填入所列的原始数据表中。五、计算公式1 .根据流量计出口处空气的干球温度t a和湿球温度tw,在干湿球温度计上读出空气的相对湿度6 ,再从湿空气的烙湿图上查出湿空气的含湿量d (g水蒸汽/ kg干空气)，计算出水蒸汽白容积成分 r w2 .电加热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电流表的内耗。如电 压表和电流表采用图 1所示的接法，则应扣除电流表的内耗。设电流表的内阻为 Ra(Q), 则可得电加热器单位时间放出的热

8、量Q (U I 0.001RmAI2) 10 3 kJ/s3 .干空气流量为PgVkg/skg/s(1 rw)(Bh/13.6)133.32 0.01/287(ta 273.15) 34.645 10 (1 rw)(Bh/13.6)(ta 273.15)4 .水蒸汽流量为PwVRwTarw(Bh/13.6) 133.32 0.01/461.5(ta 273.15)2.889 10 3rw(Bh/13.6)(ta 273.15)5 .水蒸汽吸热量为2Qw M w （1.844 0.0004886t）dttikJ/s_22M w 1.844（t2 t1） 0.0002443（t2 t1 ）6 .干

9、空气吸热量为六、实验报告要求1 .简述实验原理，简介实验装置和测量系统并画出简图。2 .实验原始数据记录表，计算过程及计算结果。3 .将实验结果表示在 c pm- tm的坐标图上，用（6）和（7）式确定 A B,确定平 均定压比热容与平均温度的关系式（5）和定压比热容与温度的关系式（4）。4 .对实验结果进行分析和讨论。七、注意事项1 .切勿在无气流通过的情况下使加热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热容仪本体。2 .输入加热器的电压不得超过220伏，气体出口最高温度不得超过300 Co3 .加热和冷却要缓慢进行，防止比热容仪本体和温度计因温度骤升或骤降而损坏。4 .停止实验时，应先切断电加

10、热器，让风机继续工作十五分钟左右。 八、思考题1 .如何在实验方法上考虑消除电加热器热损失的影响？2 .用你的实验结果说明加热器的热损失对实验结果的影响怎样？3 .测定湿空气的干、湿球温度时，为什么要在湿式流量计的出口处而不在大气中测 量？4 .在本实验装置中，如把湿式流量计连接位置改在比热容仪器的出口处，是否合 理？为什么？实验二空气绝热指数的测定、实验目的1 .学习测量空气绝热指数的方法。2 .通过实验，培养运用热力学基本 理论处理实际问题的能力。3 .通过实验，进一步加深对刚性容 器充气、放气现象的认识。二、实验原理在热力学中，气体的定压比热容 Cp 和定容比热容Cv之比被定义为该气体的

11、绝热指数，并以k表示，即k Cp/Cv。p v本实验利用定量气体在绝热膨胀过 程和定容加热过程中的变化规律来测定空气绝热指数k。该实验过程的p-v图，如图1所示。图中A B为绝热膨胀过程；B C为定容加热过程。因为 A B为绝热过程，所以pAVAkPbV；（i）B C为定容过程，所以VB VC。假设态A与C所处的温度相同，对于状态C可得：PaVa PcVc将（2）式两边k次方得（PaVa- （PcVc）k比较（1）、（3）两式，可得 将上式两边取对数，可得（4）Pa、Pb、Pc ,且将其代入（4）式，即可,ln（ Pa/ Pb） k ln（ Pa/ Pc）因此，只要测出A B C三个状态下的压

12、力 求得空气的绝热指数 k。三、实验设备本实验的实验设备如图 2所示。实验时，通过充气阀对刚性容器进行充气，至状态A,由U形管差压计测得状态 A的表压h a （ mm2O ）,如图3状态A,我们选取容器内分气体作为研究对象，其体积为 VA,压力为Pa,温度为Ta,假设通过排气阀放气，使其压力与大气压被力相平衡，恰好此时的气体膨胀至整个容器（体积为Vb）,立即关闭排气阀，膨胀过程结束。因为自=Pa （大气压力），由于此过程进行得十分迅速，可忽略过程的热交换，因此可认为此过程为定量气体的绝热膨胀过程，即由状态A（Pa、V Ta）绝热膨胀至状态 B（Pb、Vb、Tb）。（注意VB等于容器体积，VA为

13、一小于容器体积的假象体 积）。处于状态B的气体，由于其温度低于环境温度，则刚性容器内的气体通过容器壁与环境交换热量，当容器内的气体温度与环境温度相等时，系统处于新的平衡状态 c（pc、Vc、Tc）。若忽略刚性容器的体积变化，此过程可认为是定容加热过程。此时容器内气体的压力可由U形差压计测得 he （ mmH2O ）。至此，被选为研究对象的气体，从A经过绝热膨胀过程至 B,又经过定容加热过程至 C,且斗犬态A、C所处的温度同为环境温度，实 现了图1中所示的过程。l-u宣宣差压计I 2一防尘里,3一排气阀：4一刚性零月：5充气阀图2 实验设备示意图图3 气体热力过程示意图四、实验步骤1 .实验前，

14、认真阅读实验指导书，了解实验原理2 .进入实验室后，参考实验指导书，对照实物熟悉实验设备。3 .实验中，由于对装置的气密性要求较高，因此，实验开始时，首先应检查装置的 气密性。方法是，通过充气阀对刚性容器充气至状态A,使hA = 200 （ mmHO ）左右，过几分钟后观察水柱的变化，若不变化，说明气密性满足要求；若有变化，则说明装置漏 气。此步骤一定要认真，否则，将给实验结果带来较大的误差，同时读出hA的值。4 .右手转动排气阀，在气流流出的声音“拍”消失的同时关上排气阀（此时，恰到 好处，实验操作者在实验正式开始前要多练习几次）。5 .待U型管差压计的读数稳定后，读出he （大名需5分钟左

15、右的时间）。6 .重复上述步骤，多做几遍，将实验中采集的数据填在实验数据表格中，并求k值。五、计算公式如果将前述的（4）式直接用于实验计算的话，那是比较麻烦的。因此，针对我们 的实验条件，现将（4）式进行适当的简化。设U型管差压计的封液（水）的重度为 丫 = 9.81 X103 （N/m3）,实验时大气压力则 为6=103 （mmbO）。因此，状态 A的压力可表示为pA= pa + hA,状态B的压力可表示为 Pb = Pa,状态C的压力可表示为 pc = Pa + he。将其代入（4）式得Pa hAhAIn-paA ln(1A)(5)Pa Pa,PahAhAhe In ln(1 )PaheP

16、ahe实验中由于刚性容器的限制，一般取hA200 (mmH)，且hehA ,因止匕有hcPaPa, hA / Pa =1,(hA hc)/(PahA) = 1。所以，按照近似的方法，（5）式可简化为hA / Pa(hAhc)/(Pa hc)hAhA hc(6)这即为利用本实验装置测定空气绝热指数k的简化（近似）计算公式。六、实验数据记录和整理室 温ta = C大气压力pa = mmHg湿 度6 =%实验数据记录表序号hA (mmH2O)hc (mmH2O)hA - hck=hA/( hA- hc)12345678910Eki/10七、实验报告要求1.预习实验报告，了解实验原理，熟悉实验方法，实

17、验时认真动手操作。2.书写实验报告，其内容除实验数据记录和整理外，还包括实验原理简述、实验设备简介和对实验结果的分析及讨论。八、实验思考题1 .漏气对实验结果有何影响？2 .实验中，充气压力选得过大或过小，对实验结果有何影响？3 .空气的湿度对实验结果有何影响？4 .在定容加热过程中，如何确定容器内的气体温度回到了初温？5 .若实验中，转动排气阀的速度较慢，这将对实验结果产生何种影响？6 .本实验所选定的热力系对刚性容器而言是开口变质量热力系，请按开口系统导出（4）式。实验三 喷管试验气体在喷管中流动性能的测定一、实验目的和任务1. 巩固和验证有关喷管基本理论。熟悉不同形式喷管的机理，掌握气流

18、在喷管中的 流速、流量、压力变化的基本规律及有关测试方法。2. 对渐缩喷管和缩放喷管进行下列测定（1）测定不同工况（初压 R不变，改变背压 R）时气流在喷管中的流量 M绘制M R曲线；比较最大流量 Mmax的计算值和实测值；确定临界压力Pc。3. ） 测定不同工况时气流沿喷管各截面（轴线位置x） 的压力 P 的变化；绘制出一组P-x曲线；分析比较临界压力 Pc的计算值和实验值；观察和记录R出现在喷管中的位置。（3）将M Pb曲线和P-x曲线相比较，分析异同点及原因。二、实验原理1. 在稳定流动中，喷管任何截面上质量流量都相等。且不随时间变化。若初速度为 0, 流量大小可由下式决定 式中：k一气

19、体的绝热指数；2f 2 喷管出口截面积，m2;V2 气体比体积，m3/kg ;p 压力，Pa。下标符号：1 指喷管入口，2 指喷管出口。若降低背压，使渐缩喷管的出口压力P2或缩放喷管的喉部压力降至临界压力pc时，喷管中的流量便达到最大值，相应的计算公式为临界压力pc的大小为渐缩喷管中的流量 M一旦达到最大值，再降低背压pb,流量M保持不变。流量 M随背压pb的变化关系如图1所示（虚线表示理想气流，实线表示实际气流）。缩放喷管与渐缩喷管的不同点是，流量达到最大值时的最高背压（pb）,不再是pc而应是某一压力pf。流量M随背压pb的变化关系如图2所示（虚线表示理想气流，实线 表示实际气流）。2.沿

20、喷管轴线x各截面白压力p,在喷管形状和工质的初态及背压一定时，可根据连续性方程和状态方程计算得到，也可用实验方法测得如图3、 4 所示的图形。（ 1）图 3 所示的一组曲线表明，理论上渐缩喷管内任何截面的压力都不可能低于临界压力pc,当背压低于pc时气流在喷管外继续膨胀。（ 2） 图 4 所示的一组曲线表示在不同的背压pb 下 , 缩放喷管内各截面上压力p 的变化情况。当pb< pd,管内膨胀不足。只能在管外继续膨胀。当pb=pd,气流在管内得到完全膨胀。出口压力与背压 pb一致，称为设计工况。相应地，称pbvpd为超设计工况，pb>pd为亚设计工况。对于亚设计工况，当pdvpb三

21、pe,气流在管内膨胀过渡，出口压力仍为pd,但随即在出口产生斜激波（pb< pe ）或正激波（pb=pe）,使压力由pd升高至pb。 当peVpb三pf。正激波由管口移到了管内。pb越高越往前移。通过正激波压力跃升。气流由超音速变为亚音速，然后沿扩大段扩压减速流至出口，压力等于背压pd。对于上述pb三pf诸情况，喉部始终保持临界状态。当pb > pf时，整个喷管内都是亚音速，喉部不再是临界状态，缩放喷管成为文丘利管。三、实验装置实验装置由实验台本体、真空泵、测量仪表三大部分组成。实验台本体结构如图 5所示。空气自吸气口 1进入进气管2,流过孔板流量计3,流 量的大小可以从 U形管差

22、压计4读出。喷管5用有机玻璃制成，有渐缩和缩放两种形式， 如图6、7所示。根据实验要求，可松开夹持法兰上的螺栓，向左推开进气管的三轮支 架6,更换所需的喷管。喷管各截面上的压力由插入喷管内的测压探针13连接至移动标准真空表8测量。它们的移动通过手轮一螺杆机构9实现。在喷管后的排气管上还装有背压真空表7。真空罐11起稳定背压的作用。 罐内的真空度通过背压调节阀10来调节。为减少振动，真空罐与真空泵之间用软管12连接。真空泵是1401型，排气量 3200kg/min 。图4缩戏呻管压力曲靖四、实验步骤分别对渐缩喷管和缩放喷管进行如下操作:1 .装好喷管。2 .对真空泵作开车前检查(检查传动系统、油

23、路、水路) ，打开背压调节阀，用手 转动真空泵飞轮一周，去掉气缸中过量的油，开启电动机。当达到正常转速后即可开始 实验。3 .将测压探针上的测压孔移至喷管出口之外一段距离之后保持不动，此时p2= pb。改变调节阀开度，调节背压 Pb自6开始逐渐降低，记录在不同 pb下的孔板压差Ap值。 实验时注意记录下 Ap开始达到最大值时的 pb,以求得pc或pf值。4 .调节出某一背压 pb后，摇动手轮，使x自喷管进口逐步移至出口外一段距离。记 录下不同x值下的p值，以测定不同工况下的 px曲线。5 .停车。1吸气口； 2进气管；3流量计；4U型管差压计；5 喷管；6三轮支架；7 背压真空表;8真空表；9

24、手轮螺杆机构；10 背压调节阀；11真空罐；12软管；13测压探针图5 实验装置图图6渐缩喷管图7缩放喷管6 .原始实验数据记录。7 1)数据记录：设备名称、型号、规格等。8 2)常规数据记录：当地大气压、温度、实验环境状况。9 3)实验技术数据记入附表内。五、实验数据整理1 .因进气管中气流速度很低，在最大流速时其数量级1m/s,故可近似认为初压 p1和初温t1即是气流的总压(滞止压力)和总温(滞止温度)。初温t1等于大温度ta,初压p1略低于大气压pa ,可按下式计算 式中：ApU形管差压计读数，mmHQ2 .孔板流量计流量的计算公式为(kg/s)M 1.373 10 4 . p式中：丫一

25、几何修正系数，等于 1; pU形管差压计读数，mmHO;£ 一流速膨胀系数；1 2.873 102卫Pa3 气态修正系数0.538 pta 273.2pa大气压力， mbar;t a大气温度，°C。图8为孔板流量计的关系曲线。六、实验报告要求及内容1 .简述实验原理与过程。2 .绘出实验装置简图，并标出各主要设备名称。3 .各种数据的原始记录。4 .数据整理过程举例及各过程中使用公式和各项的单位。5 .实验数据处理及分析。包括：最大流量Max、临界压力；用座标纸绘出M-n曲线和p-x曲线；对实验值与理论值进行分析。6 .回答思考题。七、思考题1 .何为喷管的临界状态？临界压

26、力如何确定？2 .渐缩和缩放喷管出口截面压力与背压之间有何关系？3 .气流在渐缩形喷管及缩放形喷管的出口截面上压力均能降到临界压力以下吗？4 .工况一定，流经喷管内不同截面的流量相同吗？喷管实验记录（一）室温：t a= （单位）大气压力： pa= （单位）喷管类型取小截卸积（m2）主要参数喷管流量喷管入口压力Pi喷管背压pb孔板压差流速膨胀油M真空度绝对压力真空度绝对压力 p系数（单位）（单位）（单位）（单位）（单位）（单位）£Mx 10n喷管实验记录（二）喷管类型喷管截面至 入口距离x mm截面压力 p （单位）Pb V pc （或 PbV pd =Pb= Pc （或 PdV Pb

27、Vp）Pb>Pc（或 Pb> Pf）真空度绝对压力真空度绝对压力真空度绝对压力05101520253035404550实验四管道沿程阻力测定一、实验目的1 .通过实验了解影响沿程阻力的因素。2 .找出沿程阻力系数与雷诺准则的关系入=f （Re）。3 .学会将实验得到的数据整理成经验公式的方法。二、实验原理人们在有关流动阻力的广泛实验研究中发现：流体流动阻力的变化规律与其流动状态有关，而流体的流动状态有层流和紊流之分。英国物理学家雷诺首先用流动可视化的 办法，证实了流动中确实存在着层流和紊流两种流动状态。这对流体沿管道流动所受到 的阻力规律，给出了合理的解释。雷诺不仅形象地揭示了两种

28、不同的流态，而且通过大量的实验，建立了一个判别流 态的无量纲准则一-雷诺准则ReVd Vd不论什么性质的流体（p , ）,也不论在尺寸（d）多大的管道中以多高的平均流速（V）流动，凡Re< 2000的流动就是层流,Re > 2000的流动就属于紊流了。流体沿内径均匀的管道流动时，所产生的沿程损失hf是与管长l、管径d、管壁粗糙度 诧、流体的平均流速 V、密度p、粘度 由下面的关系式表示令f（Re, Ks/d）ntl V2则hf- （2）d 2g式中，入称为沿程阻力系数。此式为最常用 的达西公式。由此可知，只要决定了沿程阻力系数入，计算沿程损失的问题就解决了。但是， 沿程阻力系数 入

29、是雷诺准则Re和管壁粗糙度图一实验的线诧/ d的函数，它只能用实验数据整理而成的实验曲线或经验公式进行计算，要把对应于不同雷诺准则和不同相对粗糙度的X=f（Re, Ks/d）曲线通过实验方法做出来，这本身就是一项很复杂的工作。在教学实验中，限于条件，只能就一种特定监/d的管道，在不同的Re下做若干个实验点，把这些实验点画在对数坐标纸上可得到一条曲线（如图一所示）。这条曲线的直线段在纵坐标上的截距是log K,直线段的斜率 n = tg 0是可以在图上得到的。由此可以得出直线段的数学方程式log log K n log Re或这便是通过实验方法确立 的经验公式。KRen(4)X =f （Re）曲

30、线上直线段的数学表达式，即是通常所采用实验时，只需测出通过管内流体的平均流速V和这一段实验管的沿程损失 hf,就可由（2）式计算出入，即2gdhflV改变管内水的流速， 便可得到在不同雷诺数 Re 下的沿程阻力系数入值， 从而将这些实验数据按前 述方法回归出一个经验公 式。三、实验设备本实验装置如图二所示。根据压差大小，有两种 测量形式：形式I 压差计测压差.低压差用水压差计测 量，主要用于管内流体在 层流段流动的测量。形式n 电子测压仪 测压差。高压差用电子测 压仪测量，主要用于管内1.13.12自循环高压恒定全自动供水器，工水箱，曳同才、管，水四餐计，5则压计；反实雌管道；汇电子测用仪：滑

31、初冽量尺 9,冽压点，9实葆就量调节阀，II雀压储 膏宿管及旁诵翎1E供生管比碇在周，14爷捕图实验系统图流体在紊流段流动的测量。电子测压仪的连接如图三所示。本实验装置由以下几个主要部分组成：1 .自动水泵与稳压器一一自循环高压恒定自动供水器由离心泵、自动压力开关、气I,压力恃恬溺 工排气靛胡3.造酒至 在电子利压僮图三 利子测压仪连接图一水压力罐式稳压器等组成。压力超 高时能自动停机，过低时能自动开机。 为避免因水泵直接向实验管道供水而 造成的压力波动等影响，离心泵的输 水是先经入稳压器的压力罐，经稳压 后再送向实验管道。2 .旁通管与旁通阀一一由于本实验装置所采用水泵的特性，在供小流量时有

32、可能时开时停，从而造成供水压力的较大波动。为了避免这种情况出现，供水器设有与蓄水箱直通的旁通管（图中未标出），通过分流可使水泵持续稳定的运行。旁通管中设有调节分流量至蓄水箱的阀门，即旁通阀门，实验流量随旁通阀开度减小 （分流量减小）而增大。实际上旁通阀又是本实验装置用以调 节流量的重要阀门之一。3 .稳压筒一一为了简化排气并防止实验中再进气，在传感器前连接由2只冲水（不满顶）之密封立筒构成。4 .电子测压仪一一由压力传感器和主机两部分组成。经由连通管将其接入测点（见图三）。压差读数（以厘米水柱为单位）通过主机显示。四、实验步骤1 .熟悉实验设备，搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；检查蓄水

33、箱水位是否够高及旁通阀12是否已关闭。否则予以补水并关闭阀门。2 .接通电源，全开阀门12,打开供水阀13,水泵自动开启供水。3 .夹紧水压差计止水夹，打开出水阀10和进水阀13 （逆时针向），关闭旁通阀12（顺时针向），启动水泵排除管道中的气体。4 .全开阀12,关闭阀10,松开水压差计止水夹， 并旋松F1,排除水压差计中的气体。 随后关闭阀13,打开阀10,使水压差计的液面降至标尺零指示附近，即旋紧F1。再次开启阀13,并立即关闭阀10,稍后片刻检查水压差计液面是否齐平，如不平则需重调。5 .水压差计液面齐平时，则可旋开电测仪排气旋钮，对电测仪的水管通水、排气， 并将电测仪调至“ 000”

34、显示。6 .实验装置通水排气后，即可进行实验测量。在阀12和阀13全开的前提下，逐次开大出水阀10,每次调节流量时均需稳定 23分钟，流量愈小，稳定时间愈长；测流 量的时间不小于 810秒；测流量的同时，需测量记录水压差计（或电测仪）、温度计（温度计应挂在水箱中）等的数值。层流段：应在水压差计A h20mmH 2O （夏季）A h30mmH 2O （冬季）量 程范围内，测量并记录 45组数据。紊流段：夹紧水压差计止水夹，开大流量，用电测仪记录h f值，每次增量可按A h 100 Cm H2O递增，直至测出h f的最大值。阀门操作次序是当阀 13、阀10开至最大后， 逐渐关闭阀12,直至h f显

35、示最大值。7 .结束实验前，应全开阀 12,关闭阀10,检查说水压差计与电测仪是否指示为零， 若均为零，则关闭阀13,切断电源。否则，表明差压计已进气，需重新做此实验。记录 管径、实验段管长度等实验数据。并将实验数据请实验指导教师过目。经实验指导教师 同意后，关闭进、出口水阀，切断电源并整理好实验现场。五、实验数据与实验报告1 .记录以下数据，并将实测数据及计算结果填入表内。 实验段管径d =cm实验段管长l = 85 cm2 .根据实验数据，对在层流段的数据进行计算，用实验数据计算的沿程阻力系数入 与理论值进行比较。用紊流段的数据进彳T计算，在对数坐标纸上绘制入=f （Re）曲线。由于入值较

36、小，故在对数坐标纸上绘制时，纵坐标用100入值，横坐标用Re值。写出曲线上直线段的数学表达式。3 .回答思考题。六、思考题1 .为什么压差计的水柱差就是沿程水头损失？如果实验管道安装成倾斜，是否影响实验结果？2 .为什么要排除实验段内和差压计内的空气？3 .影响实验点数据的主要因素是什么？如何提高测量精度？实验五 圆柱、机翼等物体的绕流流动显示观察一、实验目的观察流体绕不同物体流动时的各种流动现象，由绕流图象定性说明绕流特性。1 .绕圆柱体的流动。2 .绕机翼无分离和有分离的流动。3 .观察流体流过文丘利管、孔板、突扩和突缩、闸板等流段纵剖面上的流线。二、实验原理流动显示技术是流体力学实验中一

37、门重要而且发展迅速的技术，它能把透明介质， 比如空气、水等介质的流动现象，由不能直接看见而显示成能够直观的图象，从而提供 了分析探讨流动问题的丰富材料。流动显示技术对流体力学的发展起着重要作用，掌握 这类技术，对流体力学实验工作者甚为重要。本实验采用最先进的电化学法显示流线，用狭缝式流道组成过流面（图一） 。流动过程采取封闭自循环形式。水泵开起，工作液体流动，在电极的作用下，工作液体形成 电解并产生数十条色线，这些色线可看成是一条条流线。当物体被置于流场中时，其尾 部的流线将产生扰动，这扰动所形成的色线图形即为该物体的绕流图象。1410 /12I.显示盘2.机翼，孔道 4.圆柱 5.孔板 机闸

38、板7.文丘里曾也突扩和交缩9.侧板1仇泵开关11.对比度L2.电源开关1工电极电压副点14.流速调节阀 15.放空阀（14,15内置于侧板内）图一流谱流线显示仪三、实验步骤与说明打开电源开关和泵开关，稍等片刻，流线仪即可显示流线。本实验所用流线显示仪共有三种，分别用以演示机翼绕流，圆柱绕流和管渠过流。1 .演示机翼绕流的流线分布。由图一可见，机翼向天侧（外包线曲率较大）流线较 密，由连续方程和能量方程知，流线密，表明流速大，压强低；而在机翼向地侧，流线 较疏，压强较高。这表明整个机翼受到一个向上的合力，该力被称为升力。在机翼腰部 开有沟通两侧的孔道，孔道中有染色电极。在机翼两侧压力差的作用下，

39、必有分流经孔 道从向地侧流至向天侧，这可通过孔道中染色电极释放的色素显现出来，染色液体流动 的方向，即升力方向。此外，在流道出口端（上端）还可观察到流线汇集到一处，并无 交叉，从而验证流线不会重合的特性。2 .演示圆柱绕流。因为流速很低（约为 0.51.0 cm/s）,能量损失极小，可略。 其流动可视为势流。因此所显示的流谱上下游几乎完全对称。这与圆柱绕流势流理论流 谱基本一致；圆柱两侧转握点趋于重合，零流线（沿圆柱表面的流线）在前驻点分成左 右2支，经90。点（U=Umax）,而后在背滞点处又合二为一了。这是由于绕流液体是理 想液体（势流必备条件之一），由伯努里方程知，圆柱绕流在前驻点（U=

40、0）势能最大,90°点（U=Umax）,势能最小1,而到达后滞点（u=0）,动能又全转换为势能，势能又最大。故其流线又复原到驻点前的形状。3 .演示文丘利管、孔板、渐缩和突然扩大、突然缩小、明渠闸板等流段纵剖面上的 流谱。演示是在小 Re数下进行，液体在流经这些管段时，有扩有缩。由于边界本身亦 是一条流线，通过在边界上特布设的电极，该流线亦能得以演示。各种演示看完后，关闭流线演示仪泵开关和电源开关，并整理好实验现场。四、思考题1 .驻滞点的流线为何可分又可合，这与流线的性质是否矛盾？实验六绕圆柱体压力分布的测定一、实验目的2 .学习测量被绕流物体表面压力分布的方法。3 .通过实验了解

41、实际流体绕圆柱体流动时，其表面的压力分布情况。4 .与理论压力分布相比较，了解实际流体绕物体流动时，物体所受形状阻力的来源。二、实验原理理想流体平行绕流圆柱体作无环量流动时，圆柱体表面的速度分布规律是：u 2u sin而圆柱体表面上任一点的压力p,可由伯努里方程得出22pUop U（2）2g2g式中：p 一无限远处流体的压力；u 一无限远处流体的速度。工程上习惯用无因次的压力系数Cp来表示流体作用在物体上任一点的压力，由（1）式和（2）式可得到绕圆柱体流动的理论压力系数cp(3)p p21 4sin1 2u2实际流体具有粘性，达到某一雷诺数后，在圆柱体后面便产生涡流，形成尾流区,从而破坏了前后

42、压力分布的对称，形成压差阻力。实际的压力系数可按（3）式由实测得到，其中动压122-up0 p9.81（ h0 h ） N/m（4）2式中：h0来流总压p0的值，mmHO;h“一来流静压 p的值，mm2O;9.81 由（mm2O）换成（N/m2）应乘的系数。圆柱体表面任一点压力与来流压力之差2p p 9.81(h h ) N/m(5)式中：h一圆柱体表面任一点处压力p的值，mmHO,这样压力系数(6)为常数，实验pp9.81(hh )hhCpp 1,29.81(hoh )hoh- u2因为流动是低速的，所以可认为流体是不可压缩的，即流体的密度 是在风洞内做的，流动是均匀定常的。实验条件下的雷诺

43、数为 式中：D圆柱体的直径。三、实验设备本实验是由一风源和实验段构成。风源是一个箱式风洞。风机、稳压箱、收缩口都 在箱体内。入口处有一调节风门，用来调节风速的大小。风箱顶部的中央是箱式风洞的 出口，从中流出的空气形成一股均匀流速的空气射流，实验段便放置在这出风口上，如 图1所示。1一箱式风洞；2实验段；3圆柱体；4测压孔；5倾斜式微压计；6皮托管；7一调节风门图1 实验设备图圆柱体安装在实验段中。在圆柱体的表面上有一个测压孔，压力则在与圆柱体相垂直的方向引出，圆柱体可以绕自身轴转动，压力引出口位置的角e由一个圆形刻度盘读取，每间隔10 °测量圆柱体上一点的表面压力。在圆柱体的上游截面

44、上架设一只皮 托管，以测量来流的总压 P0O四、实验步骤1 .了解实验风洞。2 .安装皮托管。3 .开启风洞，测量来流的总压 po与静压p”的差值(ho-h”)，mm2Ob4 .转动圆柱体，每间隔10°测量一次圆柱体表面压力 p与来流静压pS的差值，mm2O, 共计19次。5 .调整风洞的速度，重复 3、4步骤，可以测得不同雷诺数下的另一组压力分布。 本实验只能测试雷诺数 R8 5 X 105的亚临界状态。6 .停机。五、实验报告u”和Re,并用实测数据计算出的Cp值数列入Pa273 ta0.46kg/m1 .记录以下数据，计算亚临界情况下的 表1。室温ta =C大气压力p =mmH

45、g圆柱体直径D= m空气运动粘度 V= m2/s实验段长L =m实验段高H =m实验段宽b =m亚临界:h0 =mmH 2Oh“=mmH2。32所示的曲线图，并对实验所得压力分布曲线进行分析。2 9.81 小、/ (h0 h ) m/s2 .根据实测数据画出如图3 .回答思考题。六、思考题1 .将一只皮托管插在风洞的实验段中，如何知道皮托管的尖端对准了来流可用什么方法检验2 .已知圆柱体表面的压力分布后，就可以用下列公式计算圆柱体单位长度受到的压 差阻力（形状阻力）式中R为圆柱体的半径，但是上式积分很难得出，因为写不出p = f（e）的复杂函数关系 如果采用累加求和的方法，上式可写成 你认为这

46、样可以吗3 .圆柱体在风洞实验段截面上的投影面积与风洞实验段横截面积之比称为阻塞比 试计算本实验的阻塞比。4 .在测量ho, k和hi（ i =019）时，采用什么措施能够尽可能地提高测量精度表10 0h-h 8Cp0 0h-h 8Cp0180101902020030210402205023060240702508026090270100280110290120300130310140320150330160340170350* 式中 Cp (h h )/(ho h )实验七稳态双平板法测定非金属材料的导热系数一、实验目的1 .巩固导热理论知识，了解建立较严格的一维稳态导热的实际方法。2 .用

47、稳态双平板法测定非金属材料的导热系数，确立导热系数和温度之间的依变关系，即入=入0(1 + bt)或入=A + Bt。3 .学习实际问题的实验研究方法和有关测试技术。二、实验原理双平板法是以无限大平板的导热规律为基础的。设有一块厚度为B ,导热系数为入=A + Bt的无限大平板，一侧以恒定流密度q (W/itf)加热，平板两表面的温度分别保持恒等于t1和t2。如图1所示。根据付立叶定律，描写板内温度场的导热微分方程式为dtdtq(A Bt)(1)dxdx相应的边界条件为：x = 0 处，t = 11x = B 处，t = 12(2)积分(1)式并代入(2)式的边界条件，则得t1 t2ti t2

48、q A B J-2 J-22人“J t2“令mABJ一-ABtm(4)2即在平均温度tm=(t1 + t2)/2的条件下，板材的导热 系数等于在t1和t2间材料的平均导热系数入mo(4)式则写为(5)m(tl t2) q如果是为了确定板材的导热系数，则需在热稳定时，测出加热（或冷却）平板一侧的恒 热流密度q （W/m）和温度ti、t2,依据（5）式便可得板材的平均导热系数：qm t Tt1 t2三、实验设备如图2所示，它包括 NKm-100型双试件导热率测定装置、双路直流稳压电源、恒温水浴和测试系统。NKn -100型双试件导热率测定装置为对称的双平板结构，它的中央为圆形主加热器，其周围为环形

49、辅助加热器，它们均为薄片型加热器，由电阻带均匀绕 成。二者共平面，其之间有一小的环形隔缝。在主、辅加热器上，各放置由导热系数较 大的黄铜做的圆形均热板。主、辅均热板也是同厚度共平面，二者之间有 1 mm的环形隔 缝。实验时将两块直径均等于环形辅助加热器均热板外径相等厚度的同种试件分别置于 两侧的均热板上。并在每块试材的另一面各安置一个圆盘形冷却器，最后从两个方向用 力将它们压紧以减少各交界面上的接触热阻。一台超级恒温水浴向两个冷却器并联供给恒晶片落国2实畛设备廨理国恒温水。冷却器内有盘香形小槽，恒温水沿槽盘旋流动，以便保持两块试材的冷却面具 有相同的温度。双路直流稳压器分别对主、辅加热器单独供

50、电。实验时，可以调节辅助 加热器的功率，来匹配已设定好的主加热器的功率，使得在热稳定时，主、辅均热板间 的隔缝在径向上无温差，这意味着它们之间无热量传递，主均热板表面是等温面，以一 半主加热器功率对其试件的中央部分供应一维导热流。这样，达到了实验原理的要求。必须特别指出，试件的厚度不宜过大。否则，由于试件侧向散热及其径向温度梯度引起 的径向导热，使得主均热板和冷却器间的试件内各等温面不再是互相平行的平面了，不 能满足一维导热实验原理的要求。为了计算试件的导热系数，在主、辅均热板的表面和 冷却器的冷却表面共埋设 8对馍铭一馍硅热电偶，其布置如图2所示。通过多点切换开关由数字电压表测量各热电偶输出的热电势，查表以确定各点温度。四、实验步骤1 .预习实验报告，弄懂实验原理，了解实验装置的结构和实验方法。2 .将两面已磨平的试件按图示装入实验装置，并压紧。3 .按图示接好直流稳压电源、电压表、电流表和数字电压表的连接导线；将超级恒 温水浴的出水口用橡皮管并联接至两个冷却器，并将它们的回水用橡皮管引回恒温水 浴；热电偶冷端置于冰瓶内，经指导教师检查认可。4 .调节恒温水浴上的控制温度计，设定冷却水的温度，启动恒温水浴。5 .接通直流稳压器，按预先拟定的方案，调节主、