热工实验指导书(2009.2)

2023-07-28 来源：乌哈旅游

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

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）

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。

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t w。

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 =K 12 Δt /η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，℃；η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η（s）；

(2)比热容仪进口温度 t 1 （℃）与出口温度 t 2 （℃）；

(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 t a和湿球温度 t w，在干湿球温度计上读出空气的相对湿度θ，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r w

rwd/622

1d/6222.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

Q(UI0.001RmAI2)103 kJ/s

3.干空气流量为

MgpgVRgTa(1rw)(Bh/13.6)133.320.01/ kg/s

287(ta273.15)4.645103(1rw)(Bh/13.6)(ta273.15)

4.水蒸汽流量为

MwpwVRwTarw(Bh/13.6)133.320.01/ kg/s

461.5(ta273.15)2.889103rw(Bh/13.6)(ta273.15)5.水蒸汽吸热量为

t2QwMw(1.8440.0004886t)dtt12Mw1.844(t2t1)0.0002443(t2t12) kJ/s

6.干空气吸热量为

QpQQw

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 —— t m 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c p

和定容比热容c v之比被定义为该气体的绝热指数，并以k表示，即kcp/cv。

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

k pAVApBVBk （1）

B C为定容过程，所以VBVC。

假设状态A与C所处的温度相同，对于状态A、C可得：

pAVApCVC （2）

将（2）式两边k次方得

图 1

(pAVA)k(pCVC)k （3）

比较（1）、（3）两式，可得

kkpCppkpA A(A) pBpCpApB将上式两边取对数，可得

k

ln(pA/pB) （4）

ln(pA/pC)7

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h A ( 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。

3 3

设U型管差压计的封液（水）的重度为γ= 9.81×10（N/m），实验时大气压力则

为pa≈10（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

pahAhln(1A)papa （5） kpahAhAhClnln(1)pahCpahCln实验中由于刚性容器的限制，一般取hA≈200（mmH2O），且hChA ，因此有

hCpapa ，hA/pa1,(hAhC)/(pahA)1 。

所以，按照近似的方法，（5）式可简化为

khA/pahA （6） (hAhC)/(pahC)hAhC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θ ＝ %。

实验数据记录表序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ∑ki/10 hA (mmH2O) hC (mmH2O) hA - hC k=hA/(hA-hC) 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

2k1f2u2p2k2kp1p2kMf2()()

v2k1v1p1p1式中：k—气体的绝热指数；

f2—喷管出口截面积，m;

v2—气体比体积，m/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

Mmaxfmin

2k2k1p1()k1k1v1p110.0404fminp1v1T2

0.685fmin临界压力pc的大小为

2k1pc()p10.528p1

k1 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

k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

p1pa0.97p

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

M1.373104p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；

(kg/s)12.873102 β—气态修正系数

ppa0.538 pa—大气压力，mbar; ta—大气温度，℃。

pata273.2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）喷管类型主要参数喷管入口压力p1 真空度 (单位) 绝对压力（单位）喷管背压pb 真空度绝对压力（单位）（单位）孔板压差 Δp （单位）最小截面积（m） 2 流量M （单位） M×10n 喷管流量流速膨胀系数 ε 喷管实验记录（二）喷管类型喷管截面至入口距离 x mm 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

截面压力 p (单位) pb＜pc（或pb＜pd＝真空度绝对压力 pb＝pc (或pd＜pb＜pf) 真空度绝对压力 pb＞pc(或pb＞pf) 真空度绝对压力

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

ReVdVd (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

lV2 hff(Re,Ks/d)d2g令 f(Re,Ks/d)

lV2则 hf (2)

d2g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

loglogKnlogRe (3)

或 

K (4) nRe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 2gdhflV2 (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。 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”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2～3分钟，流量愈小，稳定时间愈长；测流量的时间不小于8～10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Δh～20ｍｍＨ2Ｏ（夏季）［Δh～30ｍｍＨ2Ｏ（冬季）］量程范围内，测量并记录4～5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ｈｆ值，每次增量可按Δh～100 CｍＨ2Ｏ递增，直至测出ｈｆ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ｈｆ显示最大值。

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 ＝㎝实验段管长l ＝ 85 ㎝

2.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λ与理论值进行比较。用紊流段的数据进行计算，在对数坐标纸上绘制λ=f (Re) 曲线。由于λ值较小，故在对数坐标纸上绘制时，纵坐标用100λ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。

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，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？

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；

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

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。

本实验只能测试雷诺数Re≤5×10的亚临界状态。

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

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。

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)

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λ=λ0(1 + bt)或λ= 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δ，导热系数为λ = A + Bt的无限大平板，一侧以恒定流密度q（W/㎡）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

q相应的边界条件为：

dtdt(ABt) (1) dxdx x = 0处,t = t1

x =δ处,t = t2 (2) 积分（1）式并代入（2）式的边界条件，则得

ttttqAB1212 （3）

2tt2ABtm （4）令 mAB12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λm。图 1 平板导热原理图

(4)式则写为

qm(t1t2) (5)

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t1、t2，依据(5)式便可得板材的平均导热系数：

mq (6)

t1t2三、实验设备

如图2所示，它包括NKⅢ-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。NKⅢ-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㎜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对镍铬—镍硅热电偶，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、辅加热器的功率，直至达实验要求。

6.热稳定后，每隔10分钟采集一次数据，共采集三次。需采集的数据有各对热电偶输出的热电势、主加热器的电流和电压，将数据填入预先画好的记录表中，取三次的

平均值作为计算值。

7.需做导热方程时，可改变水温或主、辅加热器功率，重复5、6步骤，共做6～8次实验。将实验数据进行线性回归处理，即可整理出导热方程。

8.测量数据经指导教师审核后，切断电源，结束实验，整理现场。五、基本参数及有关计算本实验所用试材为有机玻璃，质量M = 110.0g，厚度δ = 12.00㎜，直径D = 100.00㎜，主均热板直径D1 = 49.00 ㎜，辅助均热板内径D2 = 51.00㎜，外径D = 100.00㎜，如图3所示。建议取De = (D1+D2)/2作为计算试件一维导热面积的直径。为了避免主加热器的电源导线通过辅热加热器而受热，先将主加热器电阻带的两端穿过辅助加热器后再与电源线连接。这样，主加热器实际传给试件的热量要小于所测的主加热器输入电功率，根据主加热器电阻带中有多长未穿过辅助加热器，每台实验本体的侧面都标有一个小于1的功率修正系数K 。前已述及,本实验装置采取

双平板的对称结构,使两块试件内的温度场相同,即t5 = t6，t7 = t8，同时，调节辅助加热器功率使得t1 = t2,t3 = t4，以满足主加热器上试件的一维导热条件。但是，由于加工工艺、装配质量和功率调节方法等方面的原因，实际中往往得不到上述的理想温度场。而是当t5 ≈ t6，t7 ≈ t8，t1 ≈ t2，t3 ≈ t4 时即认为近似符合实验原理的条件，当然其近似程度取决于实验结果所需精度。综上所述,计算试件在平均温度tm = ( t5 + t6 + t7 + t8 )/4下的平均导热系数时,应用下式进行计算

式中

kQ （9）

Fe(t5t7)(t6t8)Fe4De2 （10）

为一维稳态导热的计算面积。

六、实验要求

1.预习实验指导书，明确实验目的，在实验中认真操作，积极思考，巩固理论知识，增长实际知识。

2.书写实验报告，其内容包括：实验原理简述、实验装置简介、数据记录和整理计算实验结果及有关问题的分析、讨论。

七、思考题

1.为了建立一维稳定的温度场，本实验装置采取了哪些措施？

2.如果试件表面不平整时，测得的导热系数将偏大还是偏小？为什么？

3.本实验装置为什么仅限于测定非金属材料的导热系数？对被测试材的导热系数范围有无限制？为什么？

4.本应测量试件冷、热表面温度的，但在本实验装置中，热电偶是埋设在均热板面上和冷却器面上而不是埋设在试件表面上。这是为什么？

5.如果只有一块试件，能否用本实验装置进行测试？怎样进行实验？

6.如果某试材的导热系数随温度呈线性变化,在用本装置测定其导热系数时共做了几次实验，事后发现两块试件厚度不等，试问如何整理数据？

7.是否可用此仪器测试湿材料的导热系数？

8.用稳态平板法测液体导热系数时要考虑哪些因素？应怎样进行实验？

稳态平板导热实验记录表：时间

ｔ1 ｔ2 ｔ3 ｔ4 ｔ5 ｔ6 ｔ7 ｔ8 V I 实验八恒热流准稳态平板法测定材料热物性

(导热系数、比热容、导温系数)

一、实验目的

1.通过实验测出温度变化曲线，进一步加深了解不稳定导热过程的特征。

2.对导热系数、导温系数及比热容有比较直观的认识，并掌握快速测试材料热物性的实验方法和技术。

二、实验原理

根据导热理论，对厚度为2δ，初始温度为ti、导热系数为λ、导温系数为α的无限大平板，当其两表面用恒热流密度qω加热时，平板内任意点的温度可表示为

q1x12ttiwFo()226(n)2(n)n1cos(nn1)exp(n22Fo) (1) x当加热经过一段时间后,即Fo＞0.5时,（1）式中的级数项便可略去不计了。这时可

得简单的关系式

ttiqw1x21F() (2) o26由（2）式可见，板内各点温度随时间是线性变化的，

而与板面垂直的坐标X是成抛物线关系的。如图1所示。这就是不稳态导热达到准稳态时的温度场特征。对于X=±δ的加热面和X=0的中心面，上式分别写成

twtiqw1(Fo) 3tctiqw1(Fo) 6由上面两式可得导热系数为图1 原理图

qwqw w/mK (3)

2(twtc)2t式中，Δt =tw-tc — 同一瞬时加热面与中心面间的温差，℃； qw—单位面积平板表面所获得热流量，W/m2； δ—平板的半宽度，m。

因为从不稳态导热达到准稳态时，板内各点的温度是随时间线性变化的。也就是说，此时板内各点温度对时间的变化率是相同的，故只要测出中心面（或加热面）的温度变化率，就可以按定义写出比热容的计算式

cqwt()c3

J/kgK (4)

式中：ρ—试材的密度，kg/m；

（δt/Δη）c—中心面的中心温度变化率，℃/s。按定义，材料的导温系数可表示为

t2ta()c()c m2/s （5）

cqw2t综上所述,应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时,在一个实验上可同时测出材料

的三个重要热物性—导热系数、比热容和导温系数。

三、实验设备

实验设备包括SEI-3型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件，如图2所示。SEI-3型准稳态法热物性测定仪内实验本体由四块厚度均为δ、面积均为F的被测

试材重叠在一起组成。在第一块与第二块试材之间夹着一个薄型的片状电加热器；在第三块和第四块试材之间也夹着一个相同的电加热器；在第二块与第三块试材交界面中心和一个电加热器中心各安置一对热电偶；这四块重叠在一起试材的顶面和底面各加上一块具有良好保温特性的绝热层。然后用机械的方法把它们均匀地压紧。电加热器由直流稳压电源供电，加热功率由计算机检测。两对热电偶所测量到的温度由计算机进行采集处理，并绘出试材中心面和加热面的温度变化曲线。

四、实验步骤

1.用游标卡尺对试材的厚度进行测量（单位：㎜）并用天平称其称重（单位：g）。 2.将试材按实验要求装入SEI-3型准稳态法热物性测定仪实验本体内。（注：用手拿取试材时一定要拿试材的边缘，不要用手接触试材的加热面，以免破坏试材的初始温度场。）

3.接通计算机和SEI-3型准稳态法热物性测定仪电源。使计算机进入Windows操作系统。在计算机桌面上双击SEI-3图标，使计算机进入SEI-3型准稳态法热物性测定仪的教学实验软件系统（如图3）。

4.仔细阅读教学实验软件系统上的实验步骤。点击“我认真阅读了实验步骤”按钮.

5.在相应的栏目内按要求输入试材名称、试材厚度、试材重量和预计试材导热系数（试材厚度和重量为单块试材的平均厚度和重

量）。输入完成后，计算机在相应图 3 教学实验软件系统界面

的栏目内给出试材容重和实验加热电压。加热器预加电压分串、并联两种。对应 SEI-3型准稳态法热物性测定仪的功率选择为大（并）、小（串）之分。通常SEI-3型准稳态法热物性测定仪的功率选择开关选择在小（串）位置，只有当加热器预加电压（串联）大于20伏特时，再选择在大（并）的位置。调节SEI-3测定仪的电压调节旋钮，使加热电压在加热器预加电压值附近。将实验人员的学号填入“学号”栏目内，点击“加入学号”按钮。实验人员学号输入完成后点击“确认小组学号”按钮，即可进行实验。

6.点击“测量”按钮并同时打开SEI-3测定仪的加热开关。观察加热表面和绝热表面的温度变化过程，当两表面的温差不变时,即温差曲线走平时，表明不稳态导热达到准稳态时的温度场特征，可点

击“结束”按钮并关闭SEI-3测定图 4 实验进入准稳态曲线仪的加热开关（如图4）。

7.如果有打印机，可点击“打印”按钮，打印出实验所有数据。没有打印机可点击“保存”按钮，保存所有实验数据。点击“复位”可重新实验，点击“退出”可结束实验。最后将保存的实验数据读出，记录在实验数据表中。

五、试材热流密度qw的计算

这里我们虽然用薄片状电加热器加热，但它毕竟有一定的热容量，在加热过程中，加热器本身要吸收热量，且先于试材。因此试材实际所吸收的热量必需从电功率中扣除电加热器所吸收的热量。

根据实验原理，我们仅研究电加热器对中间两块试材加热时的温度变化就可以了，但为了避免因电加热器向外难以估计的散热给qw的计算带来困难，所以在两加热器外侧各补上一块同厚度的试材并加以保温，这样，电加热器将同等地加热其两侧的每块试材，每块试材内的温度场对于电加热器是对称的。

两个同样的电加热器是并联（或串联）供电的。基于以上分析，试材表面实验所吸收的热量应为：

qwUICht()h W/m2 (6) 4F2式中U —加热器的电压，V；

I —加热器的电流A；

F —加热器（即试材）面积，㎡；

Ch = 0.079 J/㎡℃—加热器单位面积的比热容；

(tt)h()w—加热器（也是试材加热面的温度变化率），准稳态时，有 ttt()h()w()c，℃/s。 六、实验要求

1.预习实验指导书，弄懂实验原理和实验方法。 2.细心装配试材，电加热器和热电偶，避免损坏。

3.根据实验数据,绘出温度变化曲线。计算出试材的导热系数、比热容和导温系数。七、实验数据记录

试材名称；试材厚度㎜；试材重量 g 加热电流 A；加热电压 V；试材面积 100×100 ㎜

时间热面温度冷面温度时间热面温度冷面温度时间热面温度冷面温度 0 30″ 1′ 2′ 3′ 4′ 5′

5′30″ 6′ 7′ 8′ 9′ 10′ 6′30″ 7′30″ 8′30″ 9′30″ 10′30″ 11′ 12′ 13′ 14′ 15′ 16′ 37

11′30″ 12′30″ 13′30″ 14′30″ 15′30″ 1′30″ 2′30″ 3′30″ 4′30″

八、思考题

1.本实验方法有哪些方面的误差？如何减少？

2.试材与试材间和试材与电加热器间都有缝隙，存在着接触热阻，它们对测试结果有何影响？

3.如因加工偏差而使中间二块试材厚度不等，一块厚度为1.2δ，另一块厚度为0.8δ，其余条件不变，试计算由此而引起的测试结果的偏差各为多少？

4.如果将两对热电偶接成温差热电偶，测出加热面与中心面的温差，计算出试材的导热系数。这样做法行吗？如行的话，实验怎样做？

5.本实验装置可否用于测量金属等良导体的热物性？可否用于测量湿材的热物性？ 6.如欲测试材在不同温度下的热物性，可采取什么措施？

7.本实验装置在四周既无辅助的加热器又无保温，这会造成较大误差吗？为什么？ 8.本实验装置对试材顶部和下部的保温材料有什么要求？

9.能否用此法测定导热系数很小的试材热物性？测导温系数很小的试材行吗？

实验九空气橫掠圆柱体时局部换热系数的测定

（东南大学SE-HR1对流换热实验台）

一、实验目的

1.了解实验装置的原理、测试系统及测试方法。

2.通过对实测数据的整理，了解局部换热系数的变化规律。

3.分析讨论局部换热系数的变化原因，以加深对对流换热现象的认识。二、实验原理

局部换热系数是对流换热中的重要概念。特别是流体外掠物体时，物体表面各部位的局部换热系数变化很大。本实验通过测量空气橫掠表面热流密度为恒定值的圆柱体时的局部换热系数来认识这一现象。

按定义，局部换热系数由下式确定

qttf2

(w/mK)

式中，q—物体表面的热流密度，W/m；

t—对应于某一圆周角的表面温度，℃； tf—流体主流温度，℃。

当热流密度为恒定值的圆柱体表面被恒温空气橫掠时，其表面温度沿圆周的变化可直接反映出表面换热系数沿圆周角的变化。

三、实验设备

本实验是由一风洞和实验段所构成。图1为实验段的结构简图。

在有机玻璃风道1的中间橫置一可旋转的胶木圆柱体2，其中段沿周向包覆一层不锈片3，片内表面设置了一对镍铬—镍硅热电偶4，不锈钢片两端与电源导板6连接。图2 为本实验装置及测量系统的原理图。

风源2为一箱式风洞。风机、稳压箱、收缩口都设置在箱内。空气入口处有一调节风门。风箱顶部中央为空气出口，从中流出的空气形成了一段均匀流速的空气射流，实验段的风道3即放置在这出风口上。

1-风道；2－胶木圆柱体；３－不锈钢片；４－热电偶；５－电源导板

图1 实验段的结构简图

圆柱体上的不锈钢片被一低电压、大电流的直流电源直接加热。电路中串联一标准电阻5。用实验控制仪上的数字毫伏表测量电阻5上的电压降，然后确定流过不锈钢片

的电流量。不锈钢片两端的电压也用实验控制仪上的数字电压表测量。

为了简化测量系统，测量圆柱体表面温度t的热电偶，其参考点的温度不用摄氏零度，而是用气流的温度tf做参考，即热电偶的热端6设在不锈钢片的内表面上，冷端7则放在空气流中。所以热电偶反映的热电势为圆柱体表面温度与空气流温度之差ttf

所产生的热电势E(ttf)，这个热电势亦由实验控制仪上的数字毫伏表测量。将圆柱体旋转到不同θ角度的位置时，就可以测出不同角度处圆柱表面与空气流的温度。

空气来流速度经毕托管12由倾斜式微压计11测量。空气来流温度tf用水银温度计测量。

1—电源开关；2—风源； 3—实验段风道；4—圆柱试件；5—标准电阻；6—热偶热端；

7—热偶冷端； 8—实验控制仪；9—调压旋钮；10—调风门；11—微压计；12—皮托管

图２实验装置及测量系统的原理图

四、实验步骤

1.将实验控制仪上的电压调节旋钮旋至输出电压为零的位置。

2.打开风箱上的电源开关，调节风门在适当位置，用毕托管测定空气流速度。 3.旋转圆柱体，使其测温点处于来流前驻点的位置。

4.打开实验控制仪上的加热开关，逐步提高加热电压，对不锈钢片缓慢加热，使其达到预定温度。为了保证不至于损坏试件又能达到足够的测温准确度，不锈钢片表面温度大约控制在80℃以下，为此可在逐步提高加热电压的同时用手不断抚摸不锈钢片，直

至手无法再忍受为止。

5.待热稳定后，在实验控制仪上读出前驻点位置的温差热电势E0(t0tf)。 6. 从前驻点θ＝0°开始，每间隔10°作一次测量，直到θ＝180°为止。每旋转一角度须待热稳定后再测量。测量可沿一半圆柱体表面进行。但待一半测量完毕后，对另一半应选几点，作为对称性检验。

五、基本参数及有关计算式圆柱体试件基本参数：

风道通流截面尺寸 0.08 m×0.16 m

-3

直径 D ＝ 48×10m

-3

不锈钢片厚度 δ ＝ 1 ×10m

-3

不锈钢片宽度 b ＝ 40 ×10m 不锈钢总长 L ＝ 0.147 m 1.圆柱体表面壁温t 所用测温热电偶为镍铬—镍硅热电偶，以室温为热电偶的冷端参考温度，当室温与热端温度差在50℃～80℃范围内变化时，对应于冷、热端每一度温差所产生的热电势可近似取0.04mV/℃。这对本实验已足够准确了。因此，由测得的温差ttf 所产生的热电势E(ttf)即可求得

ttfE(ttf)/0.04 (℃)

2.流过不锈钢片的电流I 标准电阻为150A/75mV，所以在标准电阻上每1mV的电压降相当于2A电流通过，即

I2U1 (A)

式中： U1－标准电阻两端的电压降，mV。

3.不锈钢片两端的电压降U为实验控制仪上数字电压表的读数 (V) 4.空气来流速度u∞

u3

29.81h (m/s)

式中：ρ－空气密度， kg/m,由气流温度tf 查表确定；

Δh－皮托管测得的来流动压头，mmH2O。 5.局部对流换热系数

本实验中做下列假设：

a) 电热功率均布在整个圆柱体表面。 b) 不计圆柱体向外界的辐射换热。

c) 忽略圆柱体表面不锈钢片的周向导热。局部换热系数可按下试计算

UI2

(W/mK)

Lb(ttf)41

6.努谢尔特准则Nuφ和雷诺准则Re

NuD uD

Re定型尺寸用圆柱外径D，定性温度取（tφ－tf ）/2。

六、实验要求

1.预习实验指导书。掌握实验原理和实验方法，明确如何记录及整理实验数据。 2.书写实验报告。其主要内容包括：实验原理简述和实验装置简图及其简介，实验数据记录和计算结果，绘制并分析tφ～tf 和Nuφ～φ曲线，根据Nuφ～φ变化关系求出在该Re下的平均Nu，对实验中涉及到的问题进行分析讨论。

七、实验数据不锈钢片宽度b＝ｍ不锈钢片总长L＝ｍ空气温度ta＝ ℃ 大气压力pa＝ pa U1＝ｍV Δh＝ mmH2O

θ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

0tφ～tf  θ 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 0tφ～tf  八、注意事项

1. 实验前首先要了解实验装置的基本部件，并熟悉仪器的使用方法。

2．柱体壁温不允许超过规定的范围。实验结束时必须先关加热电源，待试件冷却后再关风机。

九、思考题

1.圆柱体在实验风道截面上的投影面积与风道截面积之比称为阻塞比。本实验装置的阻塞比是多少？试分析它对对流换热有何影响？

2.实验数据处理时忽略了那些传热？为什么可以忽略这些传热？如果不能忽略这些传热时，应如何计算局部对流换热系数？

3.θ＝0º～180º 间的应该和θ＝180º～360º 间的完全对称。你的实验结果是这样吗？若不是请分析原因。

4.由于加工和装配上的偏差，使得当刻度盘指示θ＝0º 时而测温热电偶不恰好在圆柱体的前驻点。如何用实验方法确定热电偶在前驻点的刻度盘指示值θ？

空气橫掠圆柱体时局部换热系数的测定

（上海交通大学对流换热实验台）

一、实验目的

1.了解实验装置的原理、测试系统及测试方法。

2.通过对实测数据的整理，了解局部换热系数的变化规律。

3.分析讨论局部换热系数的变化原因，以加深对对流换热现象的认识。二、实验原理

按定义，局部换热系数由下式确定

qttf2

(w/mK)

式中，q—物体表面的热流密度，W/m；

t—对应于某一圆周角的表面温度，℃； tf—流体主流温度，℃。

当热流密度为恒定值的圆柱体表面被恒温空气橫掠时，其表面温度沿圆周的变化可直接反映出表面换热系数沿圆周角的变化。

三、实验设备

本实验是由一风洞和实验段所构成。图1为实验段的结构简图。

在有机玻璃风道1的中间橫置一可旋转的胶木圆柱体2，其中段沿周向包覆一层不锈片3，片内表面设置了一对铜－康铜热电偶4，不锈钢片两端与电源导板6连接。图2 为本实验装置及测量系统的原理图。

1-风道；2－胶木圆柱体；３－不锈钢片；４－热电偶；５－电源导板

图1 实验段的结构简图

圆柱体上的不锈钢片被由硅整流电源1供给低电压大电流直流电直接通电加热。电路中串联一标准电阻5。用数字毫伏表10经转换开关9测量电阻5上的电压降，然后确

定流过不锈钢片的电流量。不锈钢片两端的电压也用电位差计测量，由于受量程的限制，测压电路中接入一个分压箱8。

所产生的热电势E(ttf)，这个热电势亦经过转换开关用同一台电位差计测量。将圆柱体旋转到不同θ角度的位置时，就可以测出不同角度处圆柱表面与空气流的温度。

空气来流速度经毕托管12由倾斜式微压计11测量。空气来流温度tf用水银温度计测量。

1—低压直流电源；2—风源； 3—实验段风道；4—圆柱试件；5—标准电阻；6—热偶热端；

7—热偶冷端； 8—分压箱；9—转换开关；10—数字毫伏表；11—微压计；12—皮托管;13—调风门

图２实验装置及测量系统的原理图

四、实验步骤

1.打开风机，调节风门在适当位置，用毕托管测定空气流速度。 2.旋转圆柱体，使其测温点处于来流前驻点的位置。

3.将整流电源的电压调节旋钮旋至输出电压为零的位置。然后按下开机按钮。 4.逐步提高整流电源的输出电压，对不锈钢片缓慢加热，使其达到预定温度。为了保证不至于损坏试件又能达到足够的测温准确度，不锈钢片表面温度大约控制在80℃以

下，为此可在逐步提高工作电压的同时用手不断抚摸不锈钢片，直至手无法再忍受为止。

5.待热稳定后，用数字毫伏表测量前驻点位置的温差热电势E0(t0tf)。 6.从前驻点θ＝0º开始，每间隔10º作一次测量，直到θ＝180º 为止。每旋转一角度须待热稳定后再测量。测量可沿一半圆柱体表面进行。但待一半测量完毕后，对另一半应选几点，作为对称性检验。

五、基本参数及有关计算式圆柱体试件基本参数：

风道通流截面尺寸 0.08 m×0.16 m

-3

直径 D ＝ 48×10m

-3

不锈钢片厚度 δ ＝ 1 ×10m

-3

不锈钢片宽度 b ＝ 40 ×10m 不锈钢总长 L ＝ 0.147 m 1.圆柱体表面壁温t 所用测温热电偶为铜－康铜热电偶，以室温为热电偶的冷端参考温度，当室温与热端温度差在50℃～80℃范围内变化时，对应于冷、热端每一度温差所产生的热电势可近似取0.043mV/℃。这对本实验已足够准确了。因此，由测得的温差ttf 所产生的热电势E(ttf)即可求得

ttfE(ttf)/0.043 (℃)

2.流过不锈钢片的电流I 标准电阻为150A/75mV，所以在标准电阻上每1mV的电压降相当于2A电流通过，即

I2U1 (A)

式中： U1－标准电阻两端的电压降，mV。 3.不锈钢片两端的电压降U

UKU2103 (V)

式中：K－分压箱倍率，取201；

U2－经分压箱后测得的电压降，mV。 4.空气来流速度u∞

u3

29.81h (m/s)

式中：ρ－空气密度， kg/m,由气流温度tf 查表确定；

Δh－皮托管测得的来流动压头，mmH2O。 5.局部对流换热系数

本实验中做下列假设：

d) 电热功率均布在整个圆柱体表面。 e) 不计圆柱体向外界的辐射换热。

f) 忽略圆柱体表面不锈钢片的周向导热。局部换热系数可按下试计算

UI2

(W/mK)

Lb(ttf)6.努谢尔特准则Nuφ和雷诺准则Re

DNu

ReuD

定型尺寸用圆柱外径D，定性温度取（tφ－tf ）/2。

六、实验要求

七、实验数据

不锈钢片宽度b＝ｍ不锈钢片总长L＝ｍ空气温度ta＝ ℃ 大气压力pa＝ pa U1＝ｍV U2＝ｍV Δh＝ mmH2O θ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 0tφ～tf  θ 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 0tφ～tf  47 八、注意事项

1. 实验前首先要了解实验装置的基本部件，并熟悉仪器的使用方法。

2．柱体壁温不允许超过规定的范围。实验结束时必须先关加热电源，待试件冷却后再关风机。

九、思考题

1.圆柱体在实验风道截面上的投影面积与风道截面积之比称为阻塞比。本实验装置的阻塞比是多少？试分析它对对流换热有何影响？

2.实验数据处理时忽略了那些传热？为什么可以忽略这些传热？如果不能忽略这些传热时，应如何计算局部对流换热系数？

3.θ＝0º～180º 间的应该和θ＝180º～360º 间的完全对称。你的实验结果是这样吗？若不是请分析原因。

实验十辐射换热角系数的测定

一、实验目的

1.巩固辐射换热理论知识，深入理解辐射换热角系数的几何性质及意义。 2.了解测定辐射换热角系数的原理和方法。

3.学会使用角系数测定仪测定角系数和用面积仪测量封闭图形的面积。二、实验原理

角系数是辐射换热﹑照明工程以及太阳能利用中经常遇到的重要几何参数，它表示从漫射表面发射的辐射能中到达某一表面的份额。对于一些有规则形状和位置的表面间角系数可以通过计算和查表等方法求得。但对不规则形状和不规则相对位置的表面间角系数，通常只能由实验测定。

由传热学可知，如图1所示，微元表面dF1对dF2

的角系数被表示为

Xd1,d2cos1cos2dF2 （1） 2r上式也可用下面几何分析法获得。由微元面dF1 图1 用几何法分析角系数的示意图的中心作投射到微元面dF2周界的射线。再以dF1

的中心作半径为R = 1的半球壳，它在dF1所在平面上的投影为一圆形。dF2的周界射线在半球壳切割一微元面dF2'

R2dFdF22cos2

r'2将微元面

\"2'2dF2'投影到dF1所在平面上, 得到投影面积dF2\"

R2dFdFcos1dF22cos1cos2

r把投影面积dF2\"用圆面积πR除，就得到

dF2\"cos1cos2dF2Xd1,d2 （2） R2r2由前述的（1）式可知，（2）式所表达的正是微元面dF1对dF2的角系数Xd1,d2。

这种几何分析的方法同样可以确定微元面dF1对

F2的角系数Xd1,2。这时，由dF1的中心引出射向F2周界图2 角系数的图解计算法的射线，它们在半球壳上切割的面积F2' 投影到dF1

所在的平面上得到投影面积F2\"，如图2所示。面积F2\"与圆面积πR之比,则为dF1对F2的角系数。即

Xd1,22

F2\"cos1cos2dF2Xd1,d2 （3） 22F2RF2r如果要求有限面积F1到面积F2的角系数X1，2,可将F1划分成微元面dF1,i,分别求得各

微元面dF1,i对面积F2的角系数Xid1,2,然后通过数值积分求得X1,2，即

X1,21F1F1Xd1,2dF11cos1cos2dF2dF1 （4） 2F1F1F2r综上所述，我们可用几何分析的方法求得辐射换热的角系数。

三、实验设备

本实验设备由SE—1型角系数测量仪和面积测量仪组成。SE—1型角系数测量仪的基本结构如图3所示，立杆1垂直于表面MN于B点，并可以B点的垂直线为轴而旋转，滑杆套管通过长度为R的两平行连杆2和6始终与表面MN保持垂直，套管中的滑杆3与套管之间是滑动配合，因此滑杆始终垂直表面MN，而且滑杆端头的笔5又始终与表面MN接触。上平行连杆2也是一个扫描目镜筒，内有准星，用于扫描目标的轮廓。在扫描的过程中，A点为假想的球心（微元面dF1

所在处），C点的轨迹总是在以A点为球心，以R为图3 角系数测量仪基本结构半径的半球面上，而滑杆下端的笔可同时画出半球壳

上C点的轨迹在底面上的投影。扫描完毕，即可画出一个封闭的图形，其面积即为被扫描的目标（表面F2）在A点（微元面dF1）所在平面（平行MN）上的投影面积F2\"。

四、实验步骤

为了便于能将测定值与理论计算值进行比较，我们取一块高为a、宽为b的矩形平面F2，微元面dF1位置在矩形某一拐角顶点的垂直线上，距离为C，如图4所示。针对图4所示的几何条件实验步骤如下：

1.将角系数测量仪的包装箱盖板取下，平放在桌子上（有定位铜圈的面朝上），并在盖板上帖上白纸，纸中间开一圆孔，让定位铜圈露出纸面。然后取出角系数测量仪，将其放置在定位铜圈上。

2.将仪器箱的箱底面紧靠盖板，垂直放置

（盖板上的箭头与箱体底部表面的箭头对准），图4 实验操作时仪器放置简图箱体底面右上角（或左上角）的矩形图形就是所

给出的将要被角系数测量仪扫描的表面F2。

3.将记录笔抬起，双手捂住平衡块，从目镜中耐心、仔细地扫描表面F2的轮廓线（目镜中圆心、十字线和轮廓线三者成一线），进行操作练习。

4.待操作熟练后，放下记录笔，从目镜中耐心、仔细地扫描表面F2的轮廓线一周，使记录笔在纸面上画出一封闭的图形，然后抬起记录笔。取下白纸，用面积测量仪测出白纸上封闭图形的面积F2\"，将其值除以圆面积πR2,所得值为所测量的角系数Xd1,2。

5.将实验设备底座板向外移出，改变C参数，并用直尺测量其数值得C’ ，重复实

‘验步骤4，即可计算出新的系数Xd1,2。将实验数据请实验指导教师过目,经实验指导教师同意后，将角系数测量仪放回箱内，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，并将实测据与理论计算值进行比较。 a ＝ b ＝ c ＝ c ＝

2‘

R ＝ πR＝ F2 ＝ F2 ＝

‘所测量的角系数Xd1,2＝ Xd1,2＝计算理论值并将其与实测数值进行比较。 2.回答思考题六、思考题

1.根据实验原理，用几何分析法推导出本实验所给几何条件下角系数的理论计算式

‘Xd1,2121bcb1tantan 2222cacac 2.根据角系数的几何分析法,如dF1和F2的距离c小于连杆长度R时，能否测量Xd1,2？

怎样测量？

3.能否用测量仪测定微元面dF1对与其距离c的同轴圆盘（直径为d）F2的角系数Xd1,2？请用角系数分析法导出其理论计算式。

实验十一材料表面法向热发射率（黑度）的测定

一、实验目的

1.通过实验加深对辐射换热基本理论的理解。 2.学习热发射率（黑度）的测定方法和实验技术。二、实验原理

本实验的原理是利用在相同条件下，待测试样表面和标准表面对一个与其共法线的热辐射接受器吸热面的不同热辐射，测定它们的热辐射值并加以比较。故本实验方法称之为法向热发射率（黑度）比较法。

我们分析如图1所示的由三个表面组成的一个封闭系统。图中1﹑2及3分别表示待测表面﹑水冷却套管的恒温内壁面及接受器吸热面。我们对2和3进行处理使之近似为黑体表面。考虑到吸热面3远小于待测表面1，可忽略待测面1的有效辐射热流中由吸热面3所给予的贡献。这样，吸

热面3的净辐射热流量可表示为图1 实验原理图

Q31Eb1F1X1,31Eb2F2X2,1X1,3Eb2F2X2,3Eb3F3 (1)

式中:Εb1﹑Εb2及Εb3分别为与1﹑2及3的温度相同的黑体辐射力;ε1和ρ1为待测表面1的热发射率（黑度）及反射率;F1 ﹑F2及F3为1﹑2及3物体的辐射表面积。当T1和T2相差不大时，可以认为1的反射率ρ1=1-α1=1-ε1。

利用角系数的相对性和完整性，即

F2X2,3F3X3,2 及 X2,1F1FX1,21(1X1,3) F2F2可将吸热面3的净辐射热流量改写为

2Q31Eb1F1X1,3(11)Eb2F1(X1,3X1,3)Eb2F3X3,2Eb3F3 (2)

考虑到吸热面3远小于待测表面1，X1.3＜＜1，所以上式中的高次项X1.3可略去不

计。这样，（2）式可简化为

Q31F1X1,30(T14T24)F30(T34T24) （3）

式中ζ0为斯蒂芬—玻尔兹曼常数。

当T(T3T2)T2时，有下面的近似式

T34T244T23T

将其代入（3）式，可将吸热面3的净辐射热流量表示为

Q31F1X1,30(T14T24)40F3T23T （4）

在热稳定状态下，接收器吸热面3的净辐射换热量必等于它向温度为T2的环境所损失热量，即

Q3F3h(T3T2)F3hT (5)

式中h为吸热面3的复合换热系数。比较（4）式和（2）式，可得

1F1X1,30(T14T24) （6） T3F3h40F3T2如果将热电偶（或热电堆）的热端置于接收器吸热面3上，将其冷端置于表面2上，热电偶（或热电堆）的输出热电势为KT（K为比例常数），将其代入（6）式，可得

1KF1X1,30(T14T24)44M(TT) （7） 1123F3h40F3T2式中 MKF1X1,30F3h40FT332

由于△T的变化范围很小，故h和K可视常数。如借助恒温水浴使T2保持恒值，则M将为定值。

若在待测表面1处放置一个温度亦为T1的标准表面以替换待测表面，则热电偶（或热电堆）的输出热电势将变为

ststM(T14T24) （8）

测定这两种情况下的热电势并加以比较，可由标准表面的已知热发射率（黑度）求得待测材料表面的热发射率（黑度）。即

 （9） st如果以人工黑体作为标准体，因st1，那么待测材料表面的热发射率（黑度）则

1st为

1 （10） st三、实验设备

根据上述的实验原理，我们制作了如图2所示的实验装置。待测试样装在有水套的样品盒上，样品盒内通以恒温热水。为了使试样的温度均匀一致，样品盒与套管式水冷却管之间装有热绝缘块。为了使输出热电势增大，本实验装置使用热电堆作为接收器的吸热面。接收器同样装有水套，将接收器水套与套管式水冷却管水套相连，并由一台恒温水浴供给冷却水，使二者具有相同的恒定温度。标准表面体（人工黑体表面）的加热水套与样品盒的加热水套套管式水冷却管水套相连，并由一台恒温水浴供给冷却水，使

1、3、4、11—温度为T2的恒温水的进出水管；2—冷水套；5—热绝缘垫片；6—待测表面； 7—加热水套；8—温度为T1的恒温水进水管；9—加热水套外盖；10—水冷套式光栏； 12—热电堆；13—底座；14—标准表面；15—接收器输出引线

图2 法向热发射率实验装置图

二者具有相同的恒定温度。标准表面体（人工黑体表面）的加热水套与样品盒的加热水套相连，并由另一台恒温水浴供给热水，使二者具有相同的恒定温度。在进行实验时，可将装有试样的样品盒和标准表面体轮换地放置在热绝缘块上进行比较测试。

四、实验步骤

1.根据实验设备的要求，将接收器水套与套管式水冷却管水套相连，标准表面体（人工黑体表面）的加热水套与样品盒的加热水套相连，并与相对应的恒温水浴连接。

2.将恒温给热水浴和恒温冷却水浴的控制温度计分别调到各自预定的控制温度。然后接通电源，使两台恒温水浴正常工作。如出现漏水现象，须先切断电源，然后进行检修。

3．将装有试样的样品盒（或标准表面体）先放置在热绝缘垫块上，待实验装置热稳定后，连续三次测出接收器热电堆的输出热电势Ф1、Ф2﹑Ф3(间隔5分钟)。这三次测量值的一致性程度表明实验装置达到热稳定的程度。

4.移去样品盒（或标准表面体），代以将标准表面体（或样品盒）放置在热绝缘垫

上,待实验装置热稳定后，每隔5分钟连续三次测出接收器热电堆输出的热电势Фst.1﹑ Фst.2﹑Фst.3。这三次测量值的一致性程度表明实验装置达到热稳定的程度。

5.上面二组测量数据的平均值,为Ф=(Ф1+Ф2+Ф3)/3和Фs t=(Фst.1+Фst.2+Фst.3)/3。由二者的比值可得待测试样表面的法向热发射率（黑度）。即：ε1=Ф/Фs t。将实验数据交实验指导教师过目，经实验指导教师同意后，切断电源，并整理好实验现场。

五、实验数据与实验报告 1.记录以下实测数据并将计算结果填入表内。样品盒热电势 Ф 标准表面热电势Фst 待测试样表面黑度ε1 第1次第2次第3次平均值 2.回答思考题六、思考题

1.本实验在原理上提出了那些使问题简化的条件？在实验装置的设计和实验方法上是怎样实现这些条件的？

2.试计算本实验装置所用的人工黑表面的热发射率（黑度）值。 3.从实验原理和测量误差上考虑，本实验装置对待测表面的热发射率（黑度）大小有无限制？为什么？

附录

附表—1 镍铬—镍硅热电偶分度表 (分度号为K,冷端温度为0℃,ｍV) 温度(℃) -200 -100 -0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -5.891 -6.035 -6.158 -6.262 -6.344 -6.404 -6.441 -6.458 -3.554 -3.852 -4.138 -4.411 -4.669 -4.913 -5.141 -5.354 -5.550 -5.730 0.000 0.000 4.096 8.138 -0.392 -0.778 -1.156 -1.527 -1.889 -2.243 -2.587 -2.920 -3.243 0.392 4.509 8.539 0.798 4.290 8.940 1.203 5.328 9.343 1.612 5.735 9.747 2.023 6.138 2.236 6.540 2.581 6.941 3.267 7.300 3.682 7.739 10.153 10.561 10.971 11.382 11.795 12.209 12.624 13.040 13.457 13.874 14.293 14.713 15.133 15.554 15.975 16.397 10.820 17.243 17.667 18.091 18.516 18.941 19.366 19.792 20.218 20.644 21.071 21.497 21.924 22.350 22.776 23.203 23.629 24.055 24.480 24.905 25.330 25.755 26.179 26.602 27.025 27.447 27.869 28.289 28.710 29.129 29.548 29.965 30.328 30.798 31.213 31.628 32.041 32.453 32.865 33.275 33.685 34.093 34.501 34.908 35.313 35.718 36.121 36.121 36.925 37.326 37.725 38.124 38.552 38.918 39.314 39.708 40.101 40.494 40.885 41.276 41.665 42.053 42.440 42.826 43.211 43.595 43.978 44.359 44.740 45.119 45.497 45.873 46.249 46.623 46.995 47.367 47.737 48.105 48.473 48.838 49.202 49.565 49.926 50.286 50.644 51.000 51.355 51.708 52.060 52.410 52.759 53.106 53.451 53.795 54.138 54.479 54.819

附表—2 镍铬—康铜热电偶分度表 (分度号为E,冷端温度为0℃,ｍV) 温度(℃) -200 -100 -0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -8.825 -9.063 -9.455 -9.455 -9.604 -9.718 -9.797 -9.835 -5.237 -5.681 -6.107 -6.516 -6.907 -7.279 -7.632 -7.963 -8.273 -8.561 -0.000 -0.582 -1.152 -1.709 -2.255 -2.787 -3.306 -3.811 -4.302 -4.777 0.000 6.319 0.592 6.998 1.192 7.685 1.801 8.379 2.420 9.081 3.048 3.685 4.330 4.985 5.648 9.789 10.503 11.224 11.951 12.684 13.421 14.164 14.912 15.664 16.420 17.818 17.945 18.713 19.484 20.259 21.036 21.817 22.600 23.386 24.174 24.964 25.757 26.552 27.348 28.146 28.946 29.747 30.550 31.354 32.159 32.965 33.772 34.579 35.387 36.196 37.005 37.815 38.624 39.434 40.243 41.053 41.862 42.671 43.479 44.286 45.003 45.900 46.705 47.509 48.313 49.116 49.917 50.718 51.517 52.315 53.112 53.908 54.703 55.497 56.289 57.080 57.870 58.659 59.446 60.232 61.017 61.801 62.583 63.364 64.144 64.922 65.698 66.473 67.246 68.017 68.787 69.554 70.319 71.082 71.844 72.603 73.360 74.115 74.869 75.621 76.373

附表—3 铜—康铜热电偶分度表 (分度号为T,冷端温度为0℃,ｍV) 温度(℃) -200 -100 -0 0 100 200 300 400 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -5.603 -5.753 -5.888 -6.007 -6.105 -6.180 -6.232 -6.258 -3.379 -3.657 -3.923 -4.177 -4.419 -4.648 -4.865 -5.070 -5.261 -5.439 0.000 -0.383 -0.757 -1.121 -1.475 -1.819 -2.153 -2.476 -2.788 -3.089 0.000 4.279 9.288 20.872 0.391 4.750 0.790 5.228 1.196 5.714 1.612 6.206 2.036 6.704 2.468 7.209 2.909 7.720 3.358 8.237 3.814 8.759 9.822 10.362 10.907 11.458 12.013 12.574 13.139 13.709 14.283 -1

14.862 15.445 16.032 16.624 17.219 17.819 18.422 19.030 19.641 20.255

附表—4 铂热电阻分度表 (分度号为Pt100, R0=100Ω，α=0.003850℃，Ω) 温度(℃) -200 -100 -0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 18.49 60.25 100.00 10 56.19 96.09 20 52.11 92.16 30 48.00 88.22 40 43.87 84.27 50 39.71 80.31 60 35.53 76.33 70 31.32 72.33 80 27.08 68.33 90 22.80 64.30 100.00 103.90 107.79 111.67 115.54 199.40 123.24 127.07 130.89 134.70 138.50 142.29 146.06 149.82 153.58 157.31 161.04 164.76 168.46 172.16 175.48 179.51 183.17 186.32 190.45 194.07 197.69 201.29 204.88 208.45 212.02 215.57 219.12 222.65 226.17 229.67 233.17 236.65 240.13 243.59 247.04 250.48 253.9 257.32 260.72 264.11 267.49 270.86 274.22 277.56 280.90 284.22 287.53 290.83 294.11 297.39 300.65 303.91 307.15 310.38 313.59 316.80 319.99 323.18 326.35 329.51 332.66 335.79 338.92 342.03 345.132 348.22 351.30 354.37 357.42 360.47 363.50 366.52 369.53 372.52 375.51 378.48 381.45 384.40 387.34 390.26 -1

附表—5 铜热电阻分度表 (分度号为Cu50, R0=50Ω，α=0.004280℃，Ω)

温度(℃) -0 0 100 0 50.00 50.00 71.40 10 47.85 52.14 73.54 20 45.70 54.28 75.68 30 43.55 56.42 77.83 40 41.40 58.56 79.98 50 39.24 60.70 82.13 60 - 62.84 - 70 - 64.98 - 80 - 67.12 - -1

90 - 69.26 -

附表—6 铜热电阻分度表 (分度号为Cu100, R0=100Ω，α=0.004280℃，Ω) 温度(℃) -0 0 100 0 100.00 10 95.70 20 91.40 30 87.10 40 82.80 50 78.49 60 - - 70 - - 80 - - 90 - - 100.00 104.28 108.56 112.84 117.12 121.40 125.68 129.96 134.24 138.52 142.80 147.08 151.36 155.66 159.96 164.27

附表—7 保温、建筑及其它材料的密度和导热系数

材料名称膨胀珍珠岩散料水泥珍珠岩制品膨胀蛭石石棉砖石棉板玻璃棉毡矿渣棉棉花超细玻璃棉毡、管微孔硅酸钙制品聚笨乙烯冰温度 ℃ 25 25 20 21 30 28 30 20 20 20 30 0 密度ρ ㎏/ｍ 60～300 300～400 100～130 384 18～38 207 117 18～20 ≯250 24.7～37 913 3导热系数λ W/(ｍ℃) 0.021～0.062 0.065～0.07 0.051～0.07 0.099 0.043 0.058 0.049 0.033～0.040 0.041 0.04～0.043 2.22 材料名称丝软泡沫塑料红砖松木(垂直木纹) 松木(平行木纹) 水泥混凝土板耐酸混凝土板瓷砖玻璃花岗岩大理石温度 ℃ 20 30 35 15 21 30 35 30 37 密度ρ ㎏/ｍ 57.7 41～162 1560 496 527 1900 1930 2250 2090 2500 2643 ～2600 3导热系数λ W/(ｍ℃) 0.036 0.043～0.056 0.49 0.15 0.35 0.3 0.79 1.5～1.6 1.1 0.52～1.1 1.73～3.98 2.70 770～1045 0.10～0.14

附表—8 水和饱和水的热物理性质 t ℃ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 110 120 130 140 ｐ×10 Ｐａ 5ρ ㎏/ｍ 3ｉ′ kJ/㎏ 0 Cp kJ/(㎏ ℃) 4.212 4.191 4.183 4.174 4.174 4.174 4.179 4.187 4.195 4.208 4.220 4.233 4.250 4.266 4.287 λ×10 W/(ｍ℃) 55.1 57.4 59.9 61.8 63.5 64.8 65.9 66.8 67.4 68.0 68.3 68.5 68.6 68.6 68.5 2α×10 ㎡/s 13.1 13.7 14.3 14.9 15.3 15.7 16.0 16.3 16.6 16.8 16.9 17.0 17.1 17.2 17.2 8μ×10 ㎏/(m s) 1788 1306 1004 801.5 653.3 549.4 469.9 406.1 355.1 314.9 282.5 259.0 237.4 217.8 201.1 6ν×10 ㎡/s 1.789 1.306 1.006 0.805 0.659 0.556 0.478 0.415 0.365 0.325 0.295 0.272 0.252 0.233 0.217 6ζ×10 Ν/m 741.6 726.9 712.2 696.5 676.9 662.2 643.5 625.9 607.2 588.6 569.0 548.4 528.8 507.2 4Pr 1.013 999.9 756.4 13.67 9.52 7.02 5.42 4.31 3.54 3.98 2.55 2.21 1.95 1.75 1.60 1.47 1.36 1.26 1.013 999.7 42.04 1.013 998.2 83.91 1.013 995.7 125.7 1.013 992.2 167.5 1.013 988.1 209.3 1.013 983.2 251.1 1.013 977.8 293.0 1.013 971.8 335.0 1.013 965.3 377.0 1.43 1.98 2.70 3.61 951.0 461.4 943.1 503.7 934.8 546.4 926.1 589.1 100 1.013 958.4 419.1

附表—9 干空气的热物理性质(P=760㎜Hg≈1.01×10Pa) t ℃ -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 250 300 350 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

ρ Cp λ×10 3 ㎏/ｍkJ/(㎏ .℃) W/(ｍ.℃) 1.584 1.515 1.453 1.395 1.342 1.293 1.247 1.205 1.165 1.128 1.003 1.060 1.029 1.000 0.972 0.946 0.898 0.854 0.815 0.779 0.746 0.674 0.615 0.566 0.524 0.456 0.404 0.362 0.329 0.301 0.277 0.257 0.239 1.013 1.013 1.013 1.009 1.009 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.009 1.009 1.009 1.009 1.009 1.013 1.017 1.022 1.026 1.038 1.047 1.059 1.068 1.093 1.114 1.135 1.156 1.172 1.185 1.197 1.210 2.04 2.12 2.20 2.28 2.36 2.44 2.51 2.59 2.67 2.76 2.83 2.90 2.96 3.05 3.13 3.21 3.34 3.49 3.64 3.78 3.93 4.27 4.60 4.91 5.21 5.74 6.22 6.71 7.18 7.63 8.07 8.50 9.15

α×10 ㎡/s 12.7 13.8 14.9 16.2 17.4 18.8 20.0 21.4 22.9 24.3 25.7 26.2 28.6 30.2 31.9 33.6 36.8 40.3 43.9 47.5 51.4 61.0 71.6 81.9 93.1 115.3 138.3 136.4 188.8 216.2 245.9 276.2 316.5 6μ×10 ㎏/(m .s) 14.6 15.2 15.7 16.2 16.7 17.2 17.6 18.1 18.6 19.1 19.6 20.1 20.6 21.1 21.5 21.9 22.8 23.7 24.5 25.3 26.0 27.4 29.7 31.4 33.0 36.2 39.1 41.8 44.3 46.7 49.0 51.2 53.5 6ν×10 ㎡/s 9.24 10.04 10.80 11.61 12.43 13.28 14.16 15.06 16.00 16.96 17.95 18.97 20.02 21.09 22.10 23.13 25.45 27.80 30.09 32.49 24.85 40.61 48.33 55.46 63.09 79.38 96.89 115.4 134.8 155.1 177.1 199.3 233.7 6Pr 0.728 0.728 0.723 0.716 0.712 0.707 0.705 0.703 0.701 0.699 0.698 0.696 0.694 0.692 0.690 0.688 0.686 0.684 0.682 0.681 0.680 0.677 0.674 0.676 0.678 0.687 0.699 0.700 0.713 0.717 0.719 0.722 0.724 59

沿程阻力实验记录表

次序体积㎝3 时间 s 流量 Q ㎝3/s 流速 V ㎝/s 水温 ℃ 粘度 ν ㎝2/s

雷诺数 Re 压差计读数㎝ H1 H2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 沿程损失 hf ㎝沿程阻Re﹤2320 力系数 λ=64/ Re λ

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热工实验指导书(2009.2)