热工实验指导书(2009.2) - 图文

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—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 空气橫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 实验十一 材料表面法向热发射率（黑度）的测定??????????52 附 录 ???????????????????????????56 1

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

cp?(?h)p （1） ?T在没有对外界作功的气体定压流动过程中，dh?表示为

dQpM, 此时气体的定压比热容可

cp?1?Q()p （2） M?T当气体在此定压过程中由温度t1被加热至t2时，气体在此温度范围内的平均定压比热容可由下式确定

cpmt2t1?QpM(t2?t1) (kJ/kg℃) (3)

式中，M —气体的质量流量，kg/s;

Qp—气体在定压流动过程中吸收的热量，kJ/s。 大气是含有水蒸汽的湿空气。当湿空气由温度t1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?10?16T3(kJ/kgK)

式中T为绝对温度，单位为K。该式可用于250～600K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可近似认为是线性的，即可近似的表示为

cp?A?Bt （4）

2

由t1加热到t2的平均定压比热容则为

ct2pmt1??t2t1t?tA?Btdt?A?B12?A?Btm (5)

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

t?A?mi2cpmi?tmi??cpmi?tmi2(?tmi)2?n?tmi （6）

t?c? B?(?t)mimipmi2?n?tmicpmi?n?t2mi （7）

从而便可得到比热容的实验关系式。

三、实验设备

图 1 实验装置图

1.整个实验装置由风机、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300℃以下气体的定压比热容。

3

4

图 2 比热容仪本体图

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，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0.5～1.0㎝／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；圆柱两侧转捩点趋于重合，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＝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？

25

实验六 绕圆柱体压力分布的测定

一、实验目的

1.学习测量被绕流物体表面压力分布的方法。

2.通过实验了解实际流体绕圆柱体流动时，其表面的压力分布情况。 3.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：

u0?0

u???2u?sin? (1)

而圆柱体表面上任一点的压力p，可由伯努里方程得出

22u0p?u? (2) ????2g?2gp式中：p?—无限远处流体的压力；

u?—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?p?p? ?1?4sin2? （3）

12??u?2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

12??u??p0?p??9.81(h0?h?) N/m2 （4） 2式中：h0—来流总压p0的值，mmH2O；

h∞—来流静压p的值，mmH2O；

2

9.81—由（mmH2O）换成（N/m）应乘的系数。 圆柱体表面任一点压力与来流压力之差

p?p??9.81(h?h?) N/m2 （5）

式中：h—圆柱体表面任一点处压力p的值，mmH2O，这样压力系数

p?p?9.81(h?h?)h?h? （6） ??19.81(h?h)h?h20?0???u?2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?为常数，实验

cp?是在风洞内做的，流动是均匀定常的。实验条件下的雷诺数为

26

Re?u?D?

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—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—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θ 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上架设一只皮托管，以测量来流的总压p0。

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p0与静压p∞的差值(h0-h∞)，mmH2O。 4.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p∞的差值，mmH2O，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。

5

本实验只能测试雷诺数Re≤5×10的亚临界状态。

27

6.停机。 五、实验报告

1.记录以下数据,计算亚临界情况下的u∞和Re,并用实测数据计算出的cp值数列入表1。

室温ta ＝ ℃ 大气压力p ＝ mmHg

2

圆柱体直径D ＝ m 空气运动粘度ν ＝ m/s 实验段长L ＝ m 实验段高H ＝ m 实验段宽b ＝ m

亚临界:h0 ＝ mmH2O h∞＝ mmH2O

??0.46pa3

kg/m

273?tau??2?9.81?u?D

(h0?h?) m/s

Re??2.根据实测数据画出如图2所示的曲线图,并对实验所得压力分布曲线进行分析。 3.回答思考题。

28

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)

2?Fp??pRd?cos?

0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(θ)的复杂函数关系如果采用累加求和的方法,上式可写成

12?Fp?9.81R?(hi?hi?1)??cos(5?10i)

36i?0235你认为这样可以吗?

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h0,h∞和hi(i=0—19)时,采用什么措施能够尽可能地提高测量精度? 表 1 θ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 0h-h∞ cp θ 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 0h-h∞ cp *式中 cp?(h?h?)/(h0?h?)

29

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6uot.html