热工实验指导书文本.docx
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热工实验指导书文本
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OO九年二月
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
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
（1）
在没有对外界作功的气体定压流动过程中，
此时气体的定压比热容可表示为
（2）
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
（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
（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
（4）
由t1加热到t2的平均定压比热容则为
（5）
这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度tm=（t1+t2）/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tmi下测出其定压比热容cpmi，然后根据最小二乘法原理，确定
（6）
（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。
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ta和湿球温度tw。
3.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=K12Δt/τ进行估算，式中Q为加热功率，W；Δt为比热容仪本体进出口温度差，℃；τ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τ（s）；
（2）比热容仪进口温度t1（℃）与出口温度t2（℃）；
（3）当时大气压力B（mmHg）和流量计出口处的表压力Δh（mmH2O）；
（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ta和湿球温度tw，在干湿球温度计上读出空气的相对湿度φ，再从湿空气的焓湿图上查出湿空气的含湿量d（g水蒸汽/kg干空气），计算出水蒸汽的容积成分rw
2.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RmA（Ω），则可得电加热器单位时间放出的热量
kJ/s
3.干空气流量为
kg/s
4.水蒸汽流量为
kg/s
5.水蒸汽吸热量为
kJ/s
6.干空气吸热量为
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cpm——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℃。
3.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
一、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绝热指数，并以k表示，即
。
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AB为绝热膨胀过程；BC为定容加热过程。
因为AB为绝热过程，所以
（1）
BC为定容过程，所以
。
假设状态A与C所处的温度相同，对于状态A、C可得：
（2）
将
（2）式两边k次方得
图1
（3）
比较
（1）、（3）两式，可得
将上式两边取对数，可得
（4）
因此，只要测出A、B、C三个状态下的压力pA、pB、pC，且将其代入（4）式，即可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hA（mmH2O），如图3状态A，我们选取容器内一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PB=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、VA、TA）绝热膨胀至状态B（pB、VB、TB）。
（注意VB等于容器体积，VA为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hC（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，且状态A、C所处的温度同为环境温度，实现了图1中所示的过程。
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，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（mmH2O）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hC（大约需5分钟左右的时间）。
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γ=9.81×103（N/m3），实验时大气压力则为pa≈103（mmH2O）。
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+hC。
将其代入（4）式得
（5）
实验中由于刚性容器的限制，一般取
≈200（mmH2O），且
，因此有
，
。
所以，按照近似的方法，（5）式可简化为
（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＝℃
大气压力pa＝mmHg
湿度φ＝%。
实验数据记录表
序号
hA（mmH2O）
hC（mmH2O）
hA-hC
k=hA/（hA-hC）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
∑ki/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P1不变，改变背压Pb）时气流在喷管中的流量M；绘制M—Pb曲线；比较最大流量Mmax的计算值和实测值；确定临界压力Pc。
（2）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Pc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—气体的绝热指数；
f2—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.沿喷管轴线x各截面的压力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pb＜pd为超设计工况，pb＞pd为亚设计工况。
对于亚设计工况，当pd＜pb≦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pe＜pb≦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≦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—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。
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p2开始逐渐降低，记录在不同pb下的孔板压差Δp值。
实验时注意记录下Δp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p—x曲线。
5.停车。
1－吸气口；2－进气管；3－流量计；4－U型管差压计；5－喷管；6－三轮支架；7－背压真空表；8－真空表；9－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。
（1）数据记录：
设备名称、型号、规格等。
（2）常规数据记录：
当地大气压、温度、实验环境状况。
（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：
Δp—U形管差压计读数,mmH2O。
2.孔板流量计流量的计算公式为
式中:
γ—几何修正系数，等于1;
Δp—U形管差压计读数,mmH2O;
ε—流速膨胀系数；
β—气态修正系数
pa—大气压力，mbar;
ta—大气温度，℃。
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Mmax、临界压力；用座标纸绘出M—pb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：
ta＝（单位）大气压力：
pa＝（单位）
喷管类型
最小截面积（m2）
主要参数
喷管流量
喷管入口压力p1
喷管背压pb
孔板压差
Δp
（单位）
流速膨胀系数
ε
流量M
（单位）
M×10n
真空度
（单位）
绝对压力
（单位）
真空度
（单位）
绝对压力
（单位）
喷管实验记录
（二）
喷管类型
喷管截面至入口距离
xmm
截面压力p（单位）
pb＜pc（或pb＜pd＝
pb＝pc（或pd＜pb＜pf）
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
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
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λ=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—-雷诺准则
（1）
不论什么性质的流体（ρ,μ）,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Ks﹑流体的平均流速V﹑密度ρ﹑粘度μ以及流态有关。
根据相似原理分析，hf可由下面的关系式表示
令
则
（2）
式中，λ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λ，计算沿程损失的问题就解决了。
但是，沿程阻力系数λ是雷诺准则Re和管壁粗糙度Ks/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λ=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Ks/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logK，直线段的斜率n=tgθ是可以在图上得到的。
由此可以得出直线段的数学方程式
（3）
或
（4）
这便是通过实验方法确立λ=f（Re）曲线上直线段的数学表达式，即是通常所采用的经验公式。
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λ，即
（5）
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λ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Ⅱ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——自循环高压恒定自动供水器由离心泵、自动压力开关、气—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——由于本实验装置所采用水泵的特性，在供小流量时有可能时开时停，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——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——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。
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