熱工實驗指導書(2009.2)

1、熱工實驗指 導 書唐慕萱 王素美 姜慧娟東南大學能源與環(huán)境學院二O O九年二月目 錄實驗一 空氣定壓比熱容測定2實驗二 空氣絕熱指數(shù)的測定7實驗三 噴管實驗氣體在噴管中流動性能的測定11實驗四 管道沿程阻力測定19實驗五 圓柱、機翼等物體的繞流流動顯示觀察24 實驗六 繞圓柱體壓力分布的測定26實驗七 穩(wěn)態(tài)雙平板法測定非金屬材料的導熱系數(shù)30實驗八 恒熱流準穩(wěn)態(tài)平板法測定材料熱物性34實驗九 空氣橫掠圓柱體時局部換熱系數(shù)的測定39實驗十 輻射換熱角系數(shù)的測定49實驗十一 材料表面法向熱發(fā)射率（黑度）的測定52附 錄 56實驗一 空氣定壓比熱容測定一、實驗目的1.增強熱物性實驗研究方面的感性認識

2、，促進理論聯(lián)系實際，了解氣體比熱容測定的基本原理和構思。2.學習本實驗中所涉及的各種參數(shù)的測量方法，掌握由實驗數(shù)據(jù)計算出比熱容數(shù)值和比熱容關系式的方法。3.學會實驗中所用各種儀表的正確使用方法。二、實驗原理由熱力學可知，氣體定壓比熱容的定義式為 （1）在沒有對外界作功的氣體定壓流動過程中，, 此時氣體的定壓比熱容可表示為 （2）當氣體在此定壓過程中由溫度t1被加熱至t2時，氣體在此溫度范圍內的平均定壓比熱容可由下式確定 (kJ/kg) (3)式中，M 氣體的質量流量，kg/s;Qp氣體在定壓流動過程中吸收的熱量，kJ/s。大氣是含有水蒸汽的濕空氣。當濕空氣由溫度t1被加熱至t2時，其中的水蒸汽

3、也要吸收熱量，這部分熱量要根據(jù)濕空氣的相對濕度來確定。如果計算干空氣的比熱容，必須從加熱給濕空氣的熱量中扣除這部分熱量，剩余的才是干空氣的吸熱量。低壓氣體的比熱容通常用溫度的多項式表示，例如空氣比熱容的實驗關系式為(kJ/kgK)式中T為絕對溫度，單位為K。該式可用于250600K范圍的空氣，平均偏差為0.03%，最大偏差為0.28%。在距室溫不遠的溫度范圍內，空氣的定壓比熱容與溫度的關系可近似認為是線性的，即可近似的表示為 （4）由t1加熱到t2的平均定壓比熱容則為 (5)這說明，此時氣體的平均比熱容等于平均溫度t m = ( t 1 + t 2 ) / 2時的定壓比熱容。因此，可以對某一氣

4、體在n個不同的平均溫度t m i下測出其定壓比熱容c p m i ，然后根據(jù)最小二乘法原理，確定 （6） （7）從而便可得到比熱容的實驗關系式。三、實驗設備 圖 1 實驗裝置圖1.整個實驗裝置由風機、流量計、測試比熱容儀器本體、電功率調節(jié)系統(tǒng)及測量系統(tǒng)共四部分組成，如圖1所示。2.比熱容儀器本體由圖2所示。3.空氣（或其它氣體）由風機經(jīng)流量計送入比熱容儀本體，經(jīng)加熱、均流、旋流、混流、測溫后流出。氣體流量由節(jié)流閥控制，氣體出口溫度由輸入電加熱器的電壓調節(jié)。4.該比熱容儀可測量300以下氣體的定壓比熱容。 圖 2 比熱容儀本體圖 四、實驗步驟1.按圖1所示接好電源線和測量儀表。經(jīng)指導教師認可后接

5、通電源，將選擇所需的出口溫度計插入混流網(wǎng)的凹槽中。2.小心取下流量計上的溫度計。開動風機，調節(jié)流閥，使流量保持在預定值附近，測出流量計出口處的干球溫度t a和濕球溫度t w。3.將溫度計放回原位。調節(jié)流量，使它保持在預定值附近。調節(jié)電壓，開始加熱（加熱功率的大小取決于氣體流量和氣流進出口溫度差，可依據(jù)關系式Q =K 12 t /進行估算，式中Q為加熱功率，W；t為比熱容儀本體進出口溫度差，；為每流過10升空氣所需要的時間, s；K為設備修正系數(shù) ）。4.待出口溫度穩(wěn)定后（出口溫度在10分鐘內無變化或有微小變化，即可視為穩(wěn)定），即可采集實驗數(shù)據(jù)。需采集的數(shù)據(jù)有：(1)每10升氣體通過流量計時所需

6、的時間（s）；(2)比熱容儀進口溫度 t 1 （）與出口溫度 t 2 （）；(3)當時大氣壓力B （mmHg） 和流量計出口處的表壓力h （mmH2O）；(4)電加熱器的電壓U （V） 和電流 I ( A )；5.改變電壓，使出口溫度改變并達到新的預定值，重復步驟4。在允許的時間內可多做幾次實驗。將上述實驗數(shù)據(jù)填入所列的原始數(shù)據(jù)表中。五、計算公式1.根據(jù)流量計出口處空氣的干球溫度 t a和濕球溫度 t w，在干濕球溫度計上讀出空氣的相對濕度，再從濕空氣的焓濕圖上查出濕空氣的含濕量d (g水蒸汽 / kg干空氣)，計算出水蒸汽的容積成分r w 2.電加熱器消耗的功率可由電壓和電流的乘積計算，但要

7、考慮電流表的內耗。如電壓表和電流表采用圖1所示的接法，則應扣除電流表的內耗。設電流表的內阻為RmA()，則可得電加熱器單位時間放出的熱量 kJ/s3.干空氣流量為 kg/s4.水蒸汽流量為 kg/s5.水蒸汽吸熱量為 kJ/s6.干空氣吸熱量為六、實驗報告要求1.簡述實驗原理，簡介實驗裝置和測量系統(tǒng)并畫出簡圖。2.實驗原始數(shù)據(jù)記錄表，計算過程及計算結果。3.將實驗結果表示在c pm t m 的坐標圖上，用（6）和（7）式確定A、B，確定平均定壓比熱容與平均溫度的關系式（5）和定壓比熱容與溫度的關系式（4）。4.對實驗結果進行分析和討論。七、注意事項1.切勿在無氣流通過的情況下使加熱器投入工作，

8、以免引起局部過熱而損壞比熱容儀本體。2.輸入加熱器的電壓不得超過220伏，氣體出口最高溫度不得超過300。3.加熱和冷卻要緩慢進行，防止比熱容儀本體和溫度計因溫度驟升或驟降而損壞。4.停止實驗時，應先切斷電加熱器，讓風機繼續(xù)工作十五分鐘左右。八、思考題1.如何在實驗方法上考慮消除電加熱器熱損失的影響？2.用你的實驗結果說明加熱器的熱損失對實驗結果的影響怎樣？3.測定濕空氣的干、濕球溫度時，為什么要在濕式流量計的出口處而不在大氣中測量？4.在本實驗裝置中，如把濕式流量計連接位置改在比熱容儀器的出口處，是否合理？為什么？實驗二 空氣絕熱指數(shù)的測定一、實驗目的1.學習測量空氣絕熱指數(shù)的方法。2.通過

9、實驗，培養(yǎng)運用熱力學基本理論處理實際問題的能力。3.通過實驗，進一步加深對剛性容器充氣、放氣現(xiàn)象的認識。二、實驗原理在熱力學中，氣體的定壓比熱容c p和定容比熱容c v之比被定義為該氣體的絕熱指數(shù)，并以k表示，即。本實驗利用定量氣體在絕熱膨脹過程和定容加熱過程中的變化規(guī)律來測定空氣絕熱指數(shù)k 。該實驗過程的pv 圖，如圖1所示。圖中A B為絕熱膨脹過程；B C為定容加熱過程。因為A B為絕熱過程，所以 （1） B C為定容過程，所以。假設狀態(tài)A與C所處的溫度相同，對于狀態(tài)A、C可得： （2） 將（2）式兩邊k次方得 圖 1 （3） 比較（1）、（3）兩式，可得 將上式兩邊取對數(shù)，可得 （4）因

10、此，只要測出A、B、C三個狀態(tài)下的壓力pA、pB、pC ，且將其代入（4）式，即可求得空氣的絕熱指數(shù)k 。三、實驗設備本實驗的實驗設備如圖2所示。實驗時，通過充氣閥對剛性容器進行充氣，至狀態(tài)A，由U形管差壓計測得狀態(tài)A的表壓h A ( mmH2O )，如圖3狀態(tài)A，我們選取容器內一分氣體作為研究對象，其體積為VA，壓力為pA，溫度為TA，假設通過排氣閥放氣，使其壓力與大氣壓被力相平衡，恰好此時的氣體膨脹至整個容器（體積為VB），立即關閉排氣閥，膨脹過程結束。因為PB = pa（大氣壓力），由于此過程進行得十分迅速，可忽略過程的熱交換，因此可認為此過程為定量氣體的絕熱膨脹過程，即由狀態(tài)A (pA

11、、VA、TA)絕熱膨脹至狀態(tài)B (pB、VB、TB)。（注意VB等于容器體積，VA為一小于容器體積的假象體積）。處于狀態(tài)B的氣體，由于其溫度低于環(huán)境溫度，則剛性容器內的氣體通過容器壁與環(huán)境交換熱量，當容器內的氣體溫度與環(huán)境溫度相等時，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)C (pC、VC、TC)。若忽略剛性容器的體積變化，此過程可認為是定容加熱過程。此時容器內氣體的壓力可由U形差壓計測得hC ( mmH2O )。至此，被選為研究對象的氣體，從A經(jīng)過絕熱膨脹過程至B，又經(jīng)過定容加熱過程至C，且狀態(tài)A、C所處的溫度同為環(huán)境溫度，實現(xiàn)了圖1中所示的過程。圖 2 實驗設備示意圖圖 3 氣體熱力過程示意圖 四、實驗步驟1

12、.實驗前，認真閱讀實驗指導書，了解實驗原理2.進入實驗室后，參考實驗指導書，對照實物熟悉實驗設備。3.實驗中，由于對裝置的氣密性要求較高，因此，實驗開始時，首先應檢查裝置的氣密性。方法是，通過充氣閥對剛性容器充氣至狀態(tài)A，使hA = 200 ( mmH2O )左右，過幾分鐘后觀察水柱的變化，若不變化，說明氣密性滿足要求；若有變化，則說明裝置漏氣。此步驟一定要認真，否則，將給實驗結果帶來較大的誤差，同時讀出hA的值。4.右手轉動排氣閥，在氣流流出的聲音“拍”消失的同時關上排氣閥（此時，恰到好處，實驗操作者在實驗正式開始前要多練習幾次）。5.待U型管差壓計的讀數(shù)穩(wěn)定后，讀出hC（大約需5分鐘左右的

13、時間）。6.重復上述步驟，多做幾遍，將實驗中采集的數(shù)據(jù)填在實驗數(shù)據(jù)表格中，并求k值。五、計算公式如果將前述的（4）式直接用于實驗計算的話，那是比較麻煩的。因此，針對我們的實驗條件，現(xiàn)將（4）式進行適當?shù)暮喕ＴOU型管差壓計的封液（水）的重度為= 9.81×103 （N/m3），實驗時大氣壓力則為pa103（mmH2O）。因此，狀態(tài)A的壓力可表示為pA= pa + hA，狀態(tài)B的壓力可表示為pB = pa，狀態(tài)C的壓力可表示為pC = pa + hC。將其代入（4）式得 （5）實驗中由于剛性容器的限制，一般取200（mmH2O），且 ，因此有 ， 。所以，按照近似的方法，（5）式可簡化

14、為 （6）這即為利用本實驗裝置測定空氣絕熱指數(shù)k的簡化（近似）計算公式。六、實驗數(shù)據(jù)記錄和整理室 溫ta 大氣壓力pa mmHg濕 度 %。實驗數(shù)據(jù)記錄表序號hA (mmH2O)hC (mmH2O)hA - hCk=hA/(hA-hC)12345678910ki/10七、實驗報告要求1.預習實驗報告，了解實驗原理，熟悉實驗方法，實驗時認真動手操作。2.書寫實驗報告，其內容除實驗數(shù)據(jù)記錄和整理外，還包括實驗原理簡述、實驗設備簡介和對實驗結果的分析及討論。八、實驗思考題1.漏氣對實驗結果有何影響？2.實驗中，充氣壓力選得過大或過小，對實驗結果有何影響？3.空氣的濕度對實驗結果有何影響？4.在定容加

15、熱過程中，如何確定容器內的氣體溫度回到了初溫？5.若實驗中，轉動排氣閥的速度較慢，這將對實驗結果產(chǎn)生何種影響？6.本實驗所選定的熱力系對剛性容器而言是開口變質量熱力系，請按開口系統(tǒng)導出（4）式。實驗三 噴管試驗氣體在噴管中流動性能的測定一、實驗目的和任務1.鞏固和驗證有關噴管基本理論。熟悉不同形式噴管的機理，掌握氣流在噴管中的流速、流量、壓力變化的基本規(guī)律及有關測試方法。2.對漸縮噴管和縮放噴管進行下列測定(1)測定不同工況（初壓P1不變，改變背壓Pb）時氣流在噴管中的流量M；繪制MPb曲線；比較最大流量Mmax的計算值和實測值；確定臨界壓力Pc。(2)測定不同工況時氣流沿噴管各截面（軸線位置

16、x）的壓力P的變化；繪制出一組Px曲線；分析比較臨界壓力Pc的計算值和實驗值；觀察和記錄Pc出現(xiàn)在噴管中的位置。(3)將MPb曲線和Px曲線相比較，分析異同點及原因。二、實驗原理1.在穩(wěn)定流動中，噴管任何截面上質量流量都相等。且不隨時間變化。若初速度為0,流量大小可由下式?jīng)Q定式中：k氣體的絕熱指數(shù)； f2噴管出口截面積，m2; v2氣體比體積，m3/kg ;p 壓力，Pa。下標符號：1指噴管入口，2指噴管出口。若降低背壓，使?jié)u縮噴管的出口壓力p2或縮放噴管的喉部壓力降至臨界壓力pc時，噴管中的流量便達到最大值，相應的計算公式為 臨界壓力pc的大小為 漸縮噴管中的流量M一旦達到最大值，再降低背壓

17、pb,流量M保持不變。流量M隨背壓pb的變化關系如圖1所示（虛線表示理想氣流，實線表示實際氣流）?？s放噴管與漸縮噴管的不同點是，流量達到最大值時的最高背壓(pb),不再是pc而應是某一壓力pf 。流量M隨背壓pb的變化關系如圖2所示（虛線表示理想氣流，實線表示實際氣流）。2.沿噴管軸線x各截面的壓力p，在噴管形狀和工質的初態(tài)及背壓一定時，可根據(jù)連續(xù)性方程和狀態(tài)方程計算得到，也可用實驗方法測得如圖3、4所示的圖形。（1）圖3所示的一組曲線表明，理論上漸縮噴管內任何截面的壓力都不可能低于臨界壓力pc,當背壓低于pc時氣流在噴管外繼續(xù)膨脹。（2）圖4所示的一組曲線表示在不同的背壓pb下,縮放噴管內各

18、截面上壓力p的變化情況。當pbpd,管內膨脹不足。只能在管外繼續(xù)膨脹。當pbpd，氣流在管內得到完全膨脹。出口壓力與背壓pb一致，稱為設計工況。相應地，稱pbpd為超設計工況，pbpd為亞設計工況。對于亞設計工況，當pdpbpe,氣流在管內膨脹過渡，出口壓力仍為pd，但隨即在出口產(chǎn)生斜激波（pbpe ）或正激波（pbpe），使壓力由pd升高至pb。當pepbpf。正激波由管口移到了管內。pb越高越往前移。通過正激波壓力躍升。氣流由超音速變?yōu)閬喴羲?，然后沿擴大段擴壓減速流至出口，壓力等于背壓pd。對于上述pbpf諸情況，喉部始終保持臨界狀態(tài)。當pbpf時,整個噴管內都是亞音速，喉部不再是臨界狀態(tài)

19、，縮放噴管成為文丘利管。三、實驗裝置實驗裝置由實驗臺本體、真空泵、測量儀表三大部分組成。實驗臺本體結構如圖5所示?？諝庾晕鼩饪?進入進氣管2,流過孔板流量計3,流量的大小可以從U形管差壓計4讀出。噴管5用有機玻璃制成，有漸縮和縮放兩種形式，如圖6、7所示。根據(jù)實驗要求，可松開夾持法蘭上的螺栓，向左推開進氣管的三輪支架6,更換所需的噴管。噴管各截面上的壓力由插入噴管內的測壓探針13連接至移動標準真空表8測量。它們的移動通過手輪螺桿機構9實現(xiàn)。在噴管后的排氣管上還裝有背壓真空表7。真空罐11起穩(wěn)定背壓的作用。罐內的真空度通過背壓調節(jié)閥10來調節(jié)。為減少振動，真空罐與真空泵之間用軟管12連接。真空泵

20、是1401型，排氣量3200kg/min。四、實驗步驟分別對漸縮噴管和縮放噴管進行如下操作：1.裝好噴管。2.對真空泵作開車前檢查（檢查傳動系統(tǒng)、油路、水路），打開背壓調節(jié)閥，用手轉動真空泵飛輪一周，去掉氣缸中過量的油，開啟電動機。當達到正常轉速后即可開始實驗。3.將測壓探針上的測壓孔移至噴管出口之外一段距離之后保持不動，此時p2pb。改變調節(jié)閥開度，調節(jié)背壓pb自p2 開始逐漸降低，記錄在不同pb下的孔板壓差p值。實驗時注意記錄下p開始達到最大值時的pb，以求得pc或pf值。4.調節(jié)出某一背壓pb后，搖動手輪，使x自噴管進口逐步移至出口外一段距離。記錄下不同x值下的p值，以測定不同工況下的p

21、x曲線。5.停車。1吸氣口；2進氣管；3流量計；4U型管差壓計；5噴管；6三輪支架；7背壓真空表；8真空表；9手輪螺桿機構；10背壓調節(jié)閥；11真空罐；12軟管； 13測壓探針圖5 實驗裝置圖 圖6 漸縮噴管 圖7 縮放噴管6.原始實驗數(shù)據(jù)記錄。（1）數(shù)據(jù)記錄：設備名稱、型號、規(guī)格等。（2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：當?shù)卮髿鈮?、溫度、實驗環(huán)境狀況。（3）實驗技術數(shù)據(jù)記入附表內。五、實驗數(shù)據(jù)整理1.因進氣管中氣流速度很低，在最大流速時其數(shù)量級1m/s，故可近似認為初壓p1和初溫t1即是氣流的總壓（滯止壓力）和總溫（滯止溫度）。初溫t1等于大溫度ta，初壓p1略低于大氣壓pa，可按下式計算 式中：pU形管差壓

22、計讀數(shù),mmH2O。 2.孔板流量計流量的計算公式為式中: 幾何修正系數(shù)，等于1;pU形管差壓計讀數(shù),mmH2O;流速膨脹系數(shù)； 氣態(tài)修正系數(shù) pa大氣壓力，mbar; ta大氣溫度，。圖8為孔板流量計的關系曲線。六、實驗報告要求及內容1.簡述實驗原理與過程。2.繪出實驗裝置簡圖，并標出各主要設備名稱。3.各種數(shù)據(jù)的原始記錄。4.數(shù)據(jù)整理過程舉例及各過程中使用公式和各項的單位。5.實驗數(shù)據(jù)處理及分析。包括：最大流量Mmax、臨界壓力；用座標紙繪出Mpb曲線和px曲線；對實驗值與理論值進行分析。6. 回答思考題。七、 思考題1.何為噴管的臨界狀態(tài)？ 臨界壓力如何確定？2.漸縮和縮放噴管出口截面壓

23、力與背壓之間有何關系？3.氣流在漸縮形噴管及縮放形噴管的出口截面上壓力均能降到臨界壓力以下嗎？4.工況一定，流經(jīng)噴管內不同截面的流量相同嗎？噴管實驗記錄（一） 室溫：ta （單位） 大氣壓力：pa （單位）噴管類型最小截面積（m2）主 要 參 數(shù)噴 管 流 量噴管入口壓力p1噴管背壓pb孔板壓差p（單位）流速膨脹系 數(shù)流量M （單位）M×10n真空度(單位)絕對壓力（單位）真空度（單位）絕對壓力（單位）噴管實驗記錄（二）噴管類型噴管截面至入口距離x mm截 面 壓 力 p (單位)pbpc（或pbpdpbpc (或pdpbpf)pbpc(或pbpf)真空度絕對壓力真空度絕對壓力真空度

24、絕對壓力05101520253035404550實驗四 管道沿程阻力測定一、實驗目的1.通過實驗了解影響沿程阻力的因素。2.找出沿程阻力系數(shù)與雷諾準則的關系=f(Re)。3.學會將實驗得到的數(shù)據(jù)整理成經(jīng)驗公式的方法。二、實驗原理人們在有關流動阻力的廣泛實驗研究中發(fā)現(xiàn)：流體流動阻力的變化規(guī)律與其流動狀態(tài)有關，而流體的流動狀態(tài)有層流和紊流之分。英國物理學家雷諾首先用流動可視化的辦法，證實了流動中確實存在著層流和紊流兩種流動狀態(tài)。這對流體沿管道流動所受到的阻力規(guī)律，給出了合理的解釋。雷諾不僅形象地揭示了兩種不同的流態(tài)，而且通過大量的實驗，建立了一個判別流態(tài)的無量綱準則-雷諾準則 (1)不論什么性質的

25、流體(,),也不論在尺寸(d)多大的管道中以多高的平均流速(V)流動，凡Re2000的流動就是層流, Re2000的流動就屬于紊流了。流體沿內徑均勻的管道流動時，所產(chǎn)生的沿程損失hf是與管長l管徑d管壁粗糙度Ks流體的平均流速V密度粘度以及流態(tài)有關。根據(jù)相似原理分析，hf可由下面的關系式表示令 則 (2)式中，稱為沿程阻力系數(shù)。此式為最常用的達西公式。由此可知，只要決定了沿程阻力系數(shù)，計算沿程損失的問題就解決了。但是，沿程阻力系數(shù)是雷諾準則Re和管壁粗糙度Ks/d的函數(shù)，它只能用實驗數(shù)據(jù)整理而成的實驗曲線或經(jīng)驗公式進行計算，要把對應于不同雷諾準則和不同相對粗糙度的=f (Re,Ks/d) 曲線

26、通過實驗方法做出來，這本身就是一項很復雜的工作。在教學實驗中，限于條件，只能就一種特定Ks/d的管道，在不同的Re下做若干個實驗點，把這些實驗點畫在對數(shù)坐標紙上可得到一條曲線(如圖一所示)。這條曲線的直線段在縱坐標上的截距是logK，直線段的斜率n = tg是可以在圖上得到的。由此可以得出直線段的數(shù)學方程式 (3)或 (4)這便是通過實驗方法確立=f (Re) 曲線上直線段的數(shù)學表達式，即是通常所采用的經(jīng)驗公式。實驗時，只需測出通過管內流體的平均流速V和這一段實驗管的沿程損失hf，就可由（2）式計算出，即 (5)改變管內水的流速，便可得到在不同雷諾數(shù)Re下的沿程阻力系數(shù)值，從而將這些實驗數(shù)據(jù)按

27、前述方法回歸出一個經(jīng)驗公式。三、實驗設備本實驗裝置如圖二所示。根據(jù)壓差大小,有兩種測量形式:形式 壓差計測壓差.低壓差用水壓差計測量,主要用于管內流體在層流段流動的測量。形式 電子測壓儀測壓差。高壓差用電子測壓儀測量, 主要用于管內流體在紊流段流動的測量。 電子測壓儀的連接如圖三所示。本實驗裝置由以下幾個主要部分組成:1.自動水泵與穩(wěn)壓器自循環(huán)高壓恒定自動供水器由離心泵、自動壓力開關、氣水壓力罐式穩(wěn)壓器等組成。壓力超高時能自動停機，過低時能自動開機。為避免因水泵直接向實驗管道供水而造成的壓力波動等影響，離心泵的輸水是先經(jīng)入穩(wěn)壓器的壓力罐，經(jīng)穩(wěn)壓后再送向實驗管道。2.旁通管與旁通閥由于本實驗裝置

28、所采用水泵的特性，在供小流量時有可能時開時停，從而造成供水壓力的較大波動。為了避免這種情況出現(xiàn)，供水器設有與蓄水箱直通的旁通管(圖中未標出)，通過分流可使水泵持續(xù)穩(wěn)定的運行。旁通管中設有調節(jié)分流量至蓄水箱的閥門，即旁通閥門，實驗流量隨旁通閥開度減小(分流量減小)而增大。實際上旁通閥又是本實驗裝置用以調節(jié)流量的重要閥門之一。3.穩(wěn)壓筒為了簡化排氣并防止實驗中再進氣，在傳感器前連接由2只沖水(不滿頂)之密封立筒構成。4.電子測壓儀由壓力傳感器和主機兩部分組成。經(jīng)由連通管將其接入測點(見圖三)。壓差讀數(shù)(以厘米水柱為單位)通過主機顯示。四、實驗步驟1.熟悉實驗設備，搞清各組成部件的名稱、作用及其工作

29、原理；檢查蓄水箱水位是否夠高及旁通閥12是否已關閉。否則予以補水并關閉閥門。2.接通電源，全開閥門12，打開供水閥13，水泵自動開啟供水。3.夾緊水壓差計止水夾，打開出水閥10和進水閥13（逆時針向），關閉旁通閥12（順時針向），啟動水泵排除管道中的氣體。4.全開閥12，關閉閥10，松開水壓差計止水夾，并旋松F1,排除水壓差計中的氣體。隨后關閉閥13，打開閥10，使水壓差計的液面降至標尺零指示附近，即旋緊F1。再次開啟閥13，并立即關閉閥10，稍后片刻檢查水壓差計液面是否齊平，如不平則需重調。5.水壓差計液面齊平時，則可旋開電測儀排氣旋鈕，對電測儀的水管通水、排氣，并將電測儀調至“000”顯示

30、。6.實驗裝置通水排氣后，即可進行實驗測量。在閥12和閥13全開的前提下，逐次開大出水閥10，每次調節(jié)流量時均需穩(wěn)定23分鐘，流量愈小，穩(wěn)定時間愈長；測流量的時間不小于810秒；測流量的同時，需測量記錄水壓差計（或電測儀）、溫度計（溫度計應掛在水箱中）等的數(shù)值。層流段：應在水壓差計h202（夏季）h302（冬季）量程范圍內，測量并記錄45組數(shù)據(jù)。紊流段：夾緊水壓差計止水夾，開大流量，用電測儀記錄值，每次增量可按h100 C2遞增，直至測出的最大值。閥門操作次序是當閥13、閥10開至最大后，逐漸關閉閥12，直至顯示最大值。7.結束實驗前，應全開閥12，關閉閥10，檢查說水壓差計與電測儀是否指示為

31、零，若均為零，則關閉閥13，切斷電源。否則，表明差壓計已進氣，需重新做此實驗。記錄管徑、實驗段管長度等實驗數(shù)據(jù)。并將實驗數(shù)據(jù)請實驗指導教師過目。經(jīng)實驗指導教師同意后，關閉進出口水閥，切斷電源并整理好實驗現(xiàn)場。五、實驗數(shù)據(jù)與實驗報告1.記錄以下數(shù)據(jù)，并將實測數(shù)據(jù)及計算結果填入表內。實驗段管徑d 實驗段管長l 85 2.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，對在層流段的數(shù)據(jù)進行計算，用實驗數(shù)據(jù)計算的沿程阻力系數(shù)與理論值進行比較。用紊流段的數(shù)據(jù)進行計算，在對數(shù)坐標紙上繪制=f (Re) 曲線。由于值較小，故在對數(shù)坐標紙上繪制時，縱坐標用100值，橫坐標用Re值。寫出曲線上直線段的數(shù)學表達式。3.回答思考題。六、思考題1.為

32、什么壓差計的水柱差就是沿程水頭損失？如果實驗管道安裝成傾斜，是否影響實驗結果？2.為什么要排除實驗段內和差壓計內的空氣？3.影響實驗點數(shù)據(jù)的主要因素是什么如何提高測量精度？實驗五 圓柱機翼等物體的繞流流動顯示觀察一、 實驗目的觀察流體繞不同物體流動時的各種流動現(xiàn)象，由繞流圖象定性說明繞流特性。1.繞圓柱體的流動。2.繞機翼無分離和有分離的流動。3.觀察流體流過文丘利管、孔板、突擴和突縮、閘板等流段縱剖面上的流線。二、實驗原理 流動顯示技術是流體力學實驗中一門重要而且發(fā)展迅速的技術，它能把透明介質，比如空氣水等介質的流動現(xiàn)象，由不能直接看見而顯示成能夠直觀的圖象，從而提供了分析探討流動問題的豐富

33、材料。流動顯示技術對流體力學的發(fā)展起著重要作用，掌握這類技術，對流體力學實驗工作者甚為重要。本實驗采用最先進的電化學法顯示流線，用狹縫式流道組成過流面（圖一）。流動過程采取封閉自循環(huán)形式。水泵開起，工作液體流動，在電極的作用下，工作液體形成電解并產(chǎn)生數(shù)十條色線，這些色線可看成是一條條流線。當物體被置于流場中時，其尾部的流線將產(chǎn)生擾動，這擾動所形成的色線圖形即為該物體的繞流圖象。三、實驗步驟與說明打開電源開關和泵開關，稍等片刻，流線儀即可顯示流線。本實驗所用流線顯示儀共有三種，分別用以演示機翼繞流，圓柱繞流和管渠過流。1.演示機翼繞流的流線分布。由圖一可見，機翼向天側（外包線曲率較大）流線較密，

34、由連續(xù)方程和能量方程知，流線密，表明流速大，壓強低；而在機翼向地側，流線較疏，壓強較高。這表明整個機翼受到一個向上的合力，該力被稱為升力。在機翼腰部開有溝通兩側的孔道，孔道中有染色電極。在機翼兩側壓力差的作用下，必有分流經(jīng)孔道從向地側流至向天側，這可通過孔道中染色電極釋放的色素顯現(xiàn)出來，染色液體流動的方向，即升力方向。此外，在流道出口端（上端）還可觀察到流線匯集到一處，并無交叉，從而驗證流線不會重合的特性。2.演示圓柱繞流。因為流速很低（約為0.51.0s），能量損失極小，可略。其流動可視為勢流。因此所顯示的流譜上下游幾乎完全對稱。這與圓柱繞流勢流理論流譜基本一致；圓柱兩側轉捩點趨于重合，零流

35、線（沿圓柱表面的流線）在前駐點分成左右2支，經(jīng)90°點（uumax）,而后在背滯點處又合二為一了。這是由于繞流液體是理想液體（勢流必備條件之一），由伯努里方程知，圓柱繞流在前駐點（u0）勢能最大，90°點（uumax）,勢能最小1，而到達后滯點（u0），動能又全轉換為勢能，勢能又最大。故其流線又復原到駐點前的形狀。3.演示文丘利管、孔板、漸縮和突然擴大、突然縮小、明渠閘板等流段縱剖面上的流譜。演示是在小Re數(shù)下進行，液體在流經(jīng)這些管段時，有擴有縮。由于邊界本身亦是一條流線，通過在邊界上特布設的電極，該流線亦能得以演示。各種演示看完后，關閉流線演示儀泵開關和電源開關，并整理好

36、實驗現(xiàn)場。四、思考題1.駐滯點的流線為何可分又可合，這與流線的性質是否矛盾？實驗六 繞圓柱體壓力分布的測定一、實驗目的1.學習測量被繞流物體表面壓力分布的方法。2.通過實驗了解實際流體繞圓柱體流動時，其表面的壓力分布情況。3.與理論壓力分布相比較，了解實際流體繞物體流動時，物體所受形狀阻力的來源。二、實驗原理理想流體平行繞流圓柱體作無環(huán)量流動時，圓柱體表面的速度分布規(guī)律是： (1)而圓柱體表面上任一點的壓力p，可由伯努里方程得出 (2)式中：無限遠處流體的壓力；無限遠處流體的速度。工程上習慣用無因次的壓力系數(shù)cp來表示流體作用在物體上任一點的壓力，由（1）式和（2）式可得到繞圓柱體流動的理論壓

37、力系數(shù) （3）實際流體具有粘性，達到某一雷諾數(shù)后，在圓柱體后面便產(chǎn)生渦流，形成尾流區(qū)，從而破壞了前后壓力分布的對稱，形成壓差阻力。實際的壓力系數(shù)可按（3）式由實測得到，其中動壓 N/m2 （4）式中：h0來流總壓p0的值，mmH2O； h來流靜壓p的值，mmH2O； 9.81由（mmH2O）換成（N/m2）應乘的系數(shù)。圓柱體表面任一點壓力與來流壓力之差 N/m2 （5）式中：h圓柱體表面任一點處壓力p的值，mmH2O，這樣壓力系數(shù) （6）因為流動是低速的，所以可認為流體是不可壓縮的，即流體的密度為常數(shù)，實驗是在風洞內做的，流動是均勻定常的。實驗條件下的雷諾數(shù)為式中：D圓柱體的直徑。三、實驗設備

38、本實驗是由一風源和實驗段構成。風源是一個箱式風洞。風機、穩(wěn)壓箱、收縮口都在箱體內。入口處有一調節(jié)風門，用來調節(jié)風速的大小。風箱頂部的中央是箱式風洞的出口，從中流出的空氣形成一股均勻流速的空氣射流，實驗段便放置在這出風口上，如圖1所示。1箱式風洞；2實驗段；3圓柱體；4測壓孔；5傾斜式微壓計；6皮托管；7調節(jié)風門圖 1 實驗設備圖圓柱體安裝在實驗段中。在圓柱體的表面上有一個測壓孔，壓力則在與圓柱體相垂直的方向引出，圓柱體可以繞自身軸轉動，壓力引出口位置的角 由一個圓形刻度盤讀取，每間隔 10°測量圓柱體上一點的表面壓力。在圓柱體的上游截面上架設一只皮托管，以測量來流的總壓p0。 四、實

39、驗步驟1.了解實驗風洞。2.安裝皮托管。3.開啟風洞，測量來流的總壓p0與靜壓p的差值(h0-h)，mmH2O。4.轉動圓柱體，每間隔10°測量一次圓柱體表面壓力p與來流靜壓p的差值，mmH2O，共計19次。5.調整風洞的速度，重復3、4步驟，可以測得不同雷諾數(shù)下的另一組壓力分布。本實驗只能測試雷諾數(shù)Re5×105的亞臨界狀態(tài)。6.停機。五、實驗報告1.記錄以下數(shù)據(jù),計算亞臨界情況下的u和Re,并用實測數(shù)據(jù)計算出的cp值數(shù)列入表1。室溫ta 大氣壓力p mmHg圓柱體直徑D m 空氣運動粘度 m2/s實驗段長L m 實驗段高H m實驗段寬b m亞臨界:h0 mmH2O h

40、mmH2O kg/m3 m/s2.根據(jù)實測數(shù)據(jù)畫出如圖2所示的曲線圖,并對實驗所得壓力分布曲線進行分析。3.回答思考題。 六、思考題1.將一只皮托管插在風洞的實驗段中,如何知道皮托管的尖端對準了來流?可用什么方法檢驗?2.已知圓柱體表面的壓力分布后,就可以用下列公式計算圓柱體單位長度受到的壓差阻力(形狀阻力)式中R為圓柱體的半徑,但是上式積分很難得出,因為寫不出p = f()的復雜函數(shù)關系如果采用累加求和的方法,上式可寫成你認為這樣可以嗎?3.圓柱體在風洞實驗段截面上的投影面積與風洞實驗段橫截面積之比稱為阻塞比,試計算本實驗的阻塞比。4.在測量h0,h和hi(i=019)時,采用什么措施能夠盡

41、可能地提高測量精度?表 10h-hcp0h-hcp0180101902020030210402205023060240702508026090270100280110290120300130310140320150330160340170350*式中 實驗七 穩(wěn)態(tài)雙平板法測定非金屬材料的導熱系數(shù)一、實驗目的1.鞏固導熱理論知識，了解建立較嚴格的一維穩(wěn)態(tài)導熱的實際方法。2.用穩(wěn)態(tài)雙平板法測定非金屬材料的導熱系數(shù)，確立導熱系數(shù)和溫度之間的依變關系, 即=0(1 + bt)或= A +Bt。3.學習實際問題的實驗研究方法和有關測試技術。二、實驗原理雙平板法是以無限大平板的導熱規(guī)律為基礎的。設有一塊厚

42、度為，導熱系數(shù)為 = A + Bt的無限大平板，一側以恒定流密度q（W/）加熱，平板兩表面的溫度分別保持恒等于t1和t2 。 如圖1所示。根據(jù)付立葉定律，描寫板內溫度場的導熱微分方程式為 (1) 相應的邊界條件為： x = 0處,t = t1 x =處,t = t2 (2) 積分（1）式并代入（2）式的邊界條件，則得 （3） 令 （4） 即在平均溫度tm=(t1+t2)/2的條件下，板材的導熱系數(shù)等于在t1和t2間材料的平均導熱系數(shù)m。 圖 1 平板導熱原理圖 (4)式則寫為 (5)如果是為了確定板材的導熱系數(shù)，則需在熱穩(wěn)定時，測出加熱（或冷卻）平板一側的恒熱流密度q（W/m2）和溫度t1、t

43、2，依據(jù)(5)式便可得板材的平均導熱系數(shù)： (6)三、實驗設備如圖2所示，它包括NK-100型雙試件導熱率測定裝置、雙路直流穩(wěn)壓電源、恒溫水浴和測試系統(tǒng)。NK-100型雙試件導熱率測定裝置為對稱的雙平板結構，它的中央為圓形主加熱器，其周圍為環(huán)形輔助加熱器，它們均為薄片型加熱器，由電阻帶均勻繞成。二者共平面，其之間有一小的環(huán)形隔縫。在主、輔加熱器上，各放置由導熱系數(shù)較大的黃銅做的圓形均熱板。主、輔均熱板也是同厚度共平面，二者之間有1的環(huán)形隔縫。實驗時將兩塊直徑均等于環(huán)形輔助加熱器均熱板外徑相等厚度的同種試件分別置于兩側的均熱板上。并在每塊試材的另一面各安置一個圓盤形冷卻器，最后從兩個方向用力將它

44、們壓緊以減少各交界面上的接觸熱阻。一臺超級恒溫水浴向兩個冷卻器并聯(lián)供給恒溫水。冷卻器內有盤香形小槽，恒溫水沿槽盤旋流動，以便保持兩塊試材的冷卻面具有相同的溫度。雙路直流穩(wěn)壓器分別對主、輔加熱器單獨供電。實驗時，可以調節(jié)輔助加熱器的功率，來匹配已設定好的主加熱器的功率，使得在熱穩(wěn)定時，主、輔均熱板間的隔縫在徑向上無溫差，這意味著它們之間無熱量傳遞，主均熱板表面是等溫面，以一半主加熱器功率對其試件的中央部分供應一維導熱流。這樣，達到了實驗原理的要求。必須特別指出，試件的厚度不宜過大。否則，由于試件側向散熱及其徑向溫度梯度引起的徑向導熱，使得主均熱板和冷卻器間的試件內各等溫面不再是互相平行的平面了，

45、不能滿足一維導熱實驗原理的要求。為了計算試件的導熱系數(shù)，在主、輔均熱板的表面和冷卻器的冷卻表面共埋設8對鎳鉻鎳硅熱電偶，其布置如圖2所示。通過多點切換開關由數(shù)字電壓表測量各熱電偶輸出的熱電勢，查表以確定各點溫度。四、實驗步驟1.預習實驗報告，弄懂實驗原理，了解實驗裝置的結構和實驗方法。2.將兩面已磨平的試件按圖示裝入實驗裝置，并壓緊。3.按圖示接好直流穩(wěn)壓電源、電壓表、電流表和數(shù)字電壓表的連接導線；將超級恒溫水浴的出水口用橡皮管并聯(lián)接至兩個冷卻器，并將它們的回水用橡皮管引回恒溫水??；熱電偶冷端置于冰瓶內，經(jīng)指導教師檢查認可。4.調節(jié)恒溫水浴上的控制溫度計，設定冷卻水的溫度，啟動恒溫水浴。5.接

46、通直流穩(wěn)壓器，按預先擬定的方案，調節(jié)主、輔加熱器的功率，直至達實驗要求。6.熱穩(wěn)定后，每隔10分鐘采集一次數(shù)據(jù)，共采集三次。需采集的數(shù)據(jù)有各對熱電偶輸出的熱電勢、主加熱器的電流和電壓，將數(shù)據(jù)填入預先畫好的記錄表中，取三次的平均值作為計算值。7.需做導熱方程時，可改變水溫或主、輔加熱器功率，重復5、6步驟，共做68次實驗。將實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸處理，即可整理出導熱方程。8.測量數(shù)據(jù)經(jīng)指導教師審核后，切斷電源，結束實驗，整理現(xiàn)場。五、基本參數(shù)及有關計算本實驗所用試材為有機玻璃，質量M = 110.0g，厚度 = 12.00，直徑D = 100.00，主均熱板直徑D1 = 49.00 ，輔助均熱板內徑D2 = 51.00，外徑D = 100.00，如圖3所示。建議取De = (D1+D2)/2作為計算試件一維導熱面積的直徑。為了避免主加熱器的電源導線通過輔熱加熱器而受熱，先將主加熱器電阻帶的兩端穿過輔助加熱器后再與電源線連接。這樣，主加熱器實際傳給試件的熱量要小于所測的主加熱器輸入電功率，根據(jù)主加熱器電阻帶中有多長未穿過輔助加熱器，每臺實驗本體的