热工基础实验指导书-完整版.pdf

宁 波 理 工 学 院宁 波 理 工 学 院 Ningbo Institute of Technology, Zhejiang UniversityNingbo Institute of Technology, Zhejiang University 热热 工工 实实 验验 指 导 书 机电与能源工程分院实验中心 二 00 七年八月目录目录 实验一、空气绝热指数的测定 ........................................................ 1 实验二、中温辐射时物体黑度的测试 ............................................ 5 实验三、空气定压比热容测定 ...................................................... 10 实验四、空气横掠单管时平均对流传热系数的测定 .................. 15 实验五、圆球法测定粒状材料导热系数 ...................................... 22 实验六、喷管实验 .......................................................................... 26 实验七、静水压强实验 .................................................................. 45 实验八、能量方程（伯诺里方程）实验 ...................................... 49 实验九、不可压缩流体恒定流动量定律实验 .............................. 53 实验十、毕托管测速实验 .............................................................. 58 机电与能源实验中心 能源与环境工程实验室 1 实验一、空气绝热指数的测定实验一、空气绝热指数的测定 一、实验目的一、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、实验原理二、实验原理 在热力学中，气体的定压比热容pc和定容比热容vc之比被定义为该气体的绝热指数，并以 k 表示，即vpcck/ 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 BBk AAVpVp （1） B C 为定容过程，所以CBVV  假设状态 A 与 C 所处的温度相同， 对于状态 A、C 可得： CCAAVpVp （2） 将（2）式两边 k 次方得 图 1 k CCk AAVpVp)()( （3） 比较（1） 、 （3）两式，可得 Bk CAk A pp pp kCABA pp pp)( 将上式两边取对数，可得 )/ln()/ln(CABA ppppk  （4） 因此，只要测出 A、B、C 三个状态下的压力AP、BP、CP，且将其代入（4）式，即可求得空气的绝热指数 k 。

机电与能源实验中心 能源与环境工程实验室 2 三、实验设备三、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 状态经过绝热膨胀过程至 B 状态，又经过 定容加热过程至 C 状态，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， 则说明装置漏气机电与能源实验中心 能源与环境工程实验室 3 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 P a ≈104（mmH 2O） 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 lnln(1)lnln(1)aAAaaaAACaCaCphh ppkphhh phph （5） 实验中由于刚性容器的限制， 一般取Ah≈200 （mmH2O） ， 且CAhhPcr时，出口截面的压力等于背压，即 P2＝PB此时通过喷 管的质量流量按（5）式计算 当背压小于或等于临界压力，即 PB≤Pcr时，出口截面的压力等于临界压力，即 P2＝Pcr 此时通过喷管的质量按（7）式计算。

当背压变化时，渐缩喷管内气流的压力随轴线的变化规律及流量随背压的变化规律如 图 1 和图 2 所示 图 1 渐缩喷管压力曲线 图 2 渐缩喷管流量曲线 2．缩放喷管在非设计工况时的工作 缩放喷管在变工况时的分析十分复杂， 因为它要涉及到激波理论 超音速气流受到强烈 压缩会产生激波，而气流通过激波时，它的压力、密度、温度会有突跃升高，流速则突跃降 低当背压 PB高于缩放喷管的设计出口压力 P2d时，出口处的超音速气流受到相应的强烈压 缩，就会产生激波激波起初是在喷管外，随着背压不断增大，激波会移到出口截面上，进 而移到扩大管的管内背压进一步增大，激波甚至可移到喉部截面上此后背压再增大，气机电与能源实验中心 能源与环境工程实验室 28 流在喉部截面上将达不到临界状态，整个缩放喷管内将全部变成亚音速流动 背压变化时， 缩放喷管内气流的压力随轴线的变化规律及流量随背压的变化规律如图 3 和图 4 所示 图 3 缩放喷管压力曲线 图 4 缩放喷管流量曲线 3．测量所用的公式 1) 压力测量公式 P x＝P0－Pv （Pa） （10） 式中：P x——喷管中探针压力取样孔所对应的绝对压力，Pa； Pa——大气压力计读数，Pa； Pv——真空压力表读数，Pa； P1＝P0－0.97△P (Pa) （11） 式中，P1：喷管入口处的绝对压力值，Pa； △P：孔板流量计两端的压差，Pa。

2）流量测量公式 孔板流量计流量的计算公式为： (kg/s) （12） 式中， ε — 流速膨胀系数 （13） β — 气态修正系数 （14） γ — 几何修正系数(需标定，本试验条件下γ =1)； Δ p — U 型压差计读数(mmH2O)； Pa — 大气压力(mbar)； ta — 大气温度(℃) 机电与能源实验中心 能源与环境工程实验室 29 若将上述流量测量公式的单位进行变换，则孔板流量计流量的计算公式可以转化为： (g/s) （15） 式中 ε — 流速膨胀系数； （16） β — 气态修正系数 （18） γ — 几何修正系数(需标定，本试验条件下γ =1)； Δ p — U 型压差计读数(Pa)； Pa — 大气压力(Pa)； ta — 大气温度(℃)； 在本实验中ε β γ 乘积约等于 1。

三、实验装置三、实验装置 (注: 喷管本体的组成：1、入口段 2、U 型压差计 3、孔板流量计 4、喷管 5、真空表 6、支撑架 7、稳压罐 8、罐前调节阀 9、罐后调节阀 10、真空泵 11、电控箱 12、探针取压移动机构， 13、缓冲联接软管) 图 5 喷管总图 实验装置由实验台本体、真空泵、电控箱三大部分组成，本体结构如图 5 所示空气由 吸气口 1 进入进气管，流过孔板流量计 3，流量的数值可从 U 形管压差计 2 读取喷管 4 用 有机玻璃制成，有渐缩、缩放两种形式，如图 6、图 7 所示根据实验要求，可松开夹持法机电与能源实验中心 能源与环境工程实验室 30 兰盘上的紧固螺丝，向左推开进气管的三轮支架 6，更换所需喷管喷管各截面上的压力由 插入喷管内的测压探针连至可移动真空表 5 测得， 测压探针在喷管内移动可通过手轮、 螺杆 等机构 12。