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50 1 序 言 1.1 化工原理实验的特点 化工原理实验属于工程实验范畴，它不同于基础课程的实验。后者面对的是基础科学，采用的方法是理论的、严密的，处理的对象通常是简单的、基本的、甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实际问题和工程问题。对象不同，实验研究方法也必然不同。工程实验的困难在于变量多，涉及的物料千变万化，设备大小悬殊，实验工作量之大之难是可想而知的。因此不能把处理一般物理实验的方法简单地套..
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实验一流体流动型态及临界雷诺数的测定
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热工基础实验指导书-完整版
宁波理工学院Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University热 工 实 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实验一、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 cv 之比被定义为该气体的绝热指数， 并以 k 表示，即 k ? c p / 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 p AV A ? p BVBk（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：p AV A ? pCVC将（2）式两边 k 次方得（2）图 1( p AV A ) k ? ( pCVC ) k比较（1） 、 （3）两式，可得k pk pA ? C pA pB（3）pA p ? ( A )k pB pC将上式两边取对数，可得k?ln( p A / p B ) ln( p A / pC )（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 。1机电与能源实验中心能源与环境工程实验室三、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。2机电与能源实验中心能源与环境工程实验室此步骤一定要认真，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 4 ≈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 ? hA h ln(1 ? A ) pa pa k? ? p ? hA h ?h ln a ln(1 ? A C ) pa ? hC pa ? hC ln（5 ）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 ? hC ) ?? 1 。所以，按照近似的方法， （5）式可简化为k?hA / pa hA ? (h A ? hC ) /( p a ? hC ) h A ? hC（6）本实验装置即可以利用这个简化（近似）的计算公式测定空气绝热指数 k。六、实验数据记录和整理室温 ta ＝ 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ∑ki/103℃，大气压力 Pa ＝ hA (mmH2O)mmHg，湿度φ ＝ hA - hC%。 k=hA/(hA-hC)hC (mmH2O)机电与能源实验中心能源与环境工程实验室七、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， 充气压力过大或过小， 转动排气阀的速度较慢或较快， 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.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（选做） 。4机电与能源实验中心能源与环境工程实验室实验二、中温辐射时物体黑度的测试一、实验目的用比较法，定性地测量中温辐射时物体黑度ε 。二、原理概述根据本实验的设备情况，可以认为： 1、传导圆筒 2 为黑体。 2、热源。传导圆筒 2。待测物体（受体）3，它们表面上的温度均匀（图 1） 。23图一辐射换峒蛲 1― 热源 2―传导圆筒 3―待测物体 因此，3 面的净辐射换热可以记为： Qnet.3= ? 3(Eb.1 A1ψ 1.3+ Eb.2 A2ψ 2.3)-ε 3Eb.3 A3 （!） 因为 A1= A3； ? 3=ε 3；ψ 3.2=ψ 1.2 又根据角系数的互换性 A2ψ 2.3= A3ψ 3.2 ，则： q3=Qnet.3/A3=ε 3(Eb.1ψ 1.3+ Eb.2ψ 1.2)－ε 3Eb.3 = ε 3(Eb.1ψ 1.3+ Eb.2ψ 1.2－Eb.3) 由于受体 3 与环境主要以自然对流方程换热，因此： q3= ? d (T3－Tf) 式中： ? d ――换热系数 T3――待测物体（受体）温度 Tf――环境温度 由（2） 、 （3）式得： ? d (T3 ? T f ) ?3 ?Eb1?1.3 ? Eb 2 ?1.2 ? Eb 3（2）（3）（4）当热源 1 和黑体圆筒 2 的表面温度一致时，Eb1=Eb2 ，并考虑到，体系 1，2，3，为封5机电与能源实验中心能源与环境工程实验室闭系统，则：ψ 1.3+ψ 1.2=1 由此， （4）式可写成： ? (T3 ? Tf ) ? (T3 ? Tf ) ε3 ? ? 4 4 E b1 ? E b3 ? (T 1 ?T 3 )（5）式中σ b 称为斯蒂芬――玻尔茨曼常数，其值为 5.67×10-8w/m2k4。对于不同的待测物 体（受体）a，b 的黑度ε 分别为：εa ?? a (T3a ? Tf ) 4 ? (T1a ? T34 a)； εb?? b (T3b ? Tf ) 4 ? (T1b ? T34 b)设 ? a ? ? b ,则：4 ?a T3a ? Tf T1b ? T34 b ? ? 4 4 4 ?b T3b ? T f T1a ? T3a（6）当 b 为黑体时，ε b≈1， （6）式可写成：?a三、实验装置4 T3a ? Tf T1b ? T34 b ? ? 4 4 T3b ? T f T1a ? T3a（7）实验装置简图如图 2 所示：图 2、实验装置简图 1、调压器 2、测温转换开关 3、数显温度计 4、接线柱 5、导轨 6、热 源 7、传导体 8、受体 9、导轨支架 10、热源电压表 11、接线柱 12、测 温接线柱（红为+） 13、电源开关 热源腔体具有一个测温电偶，传导腔体有二个热电偶，受体有一个热电偶，它们都可过 琴键转换开关来切换。6机电与能源实验中心能源与环境工程实验室四、实验方法和步骤本实验仪器用比较法定性地测定物体的黑度，具体方法是通过对三组加热器电压的调 整（热源一组，传导体二组） ，使热源和传导体的测量点恒定在同一温度上，然后分别将“待 测” （受体为待测物体，具有原来的表面状态）和“黑体” （受体仍为待测物体，但表面薰黑） 两种状态的受体在恒温条件下， 测出受到辐射后的温度， 就可按公式计算出待测物体的黑度。 具体步骤如下： 1、热源腔体和受体腔体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）靠紧传导体。 2、用导线将仪器上的测温接线柱 12 与电位差计（用户自备）上的“未知”接线柱“+” “-”极连接好。按电位差计使用方法进行调零、校准并选好量程（×1） 。 3、结通电源，调整热源、传导左、传导右的调温旋钮，使其相应的电压表指针调至红 点位置。受热约 40 分钟左右，通过测温转换开关测试热源、传导左、传导右的温度，并根 据测得的温度微调相应的电压旋钮，使三点温度尽量一致。 4、系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在五分钟内各点温度波动小于 3℃） ，开始 测试受体温度，当受体温度五分钟内的变化小于 3℃时，计下一组数据。 “待测”受体实验 结束。 5、取下受体，将受体冷却后，用松脂（带有松脂的松木）或蜡烛将受体薰黑，然后重 复以上实验，测得第二组数据。 将两组数据代入公式即可得出代测物体的黑度ε 受。五、注意事项1、热源及传导的温度不宜超过 200℃。 2、每次做原始状态实验时，建议用汽油或酒精将代测物体表面擦净，否则，试验结果 将有较大出入。六、实验数据记录和处理根据（6）式本实验所用计算公式为：4 ? 受 ?T受 (T源 ? T04 ) ＝ '4 4 ? 0 ?T0 (T源 ? T受 )（8）式中： ε 0――相对黑体的黑度，该值可假设为 1； ε 受――代测物体（受体）的黑度； ?T 受――受体与环境的温差； ?T 0――黑体与环境的温差；T 源――受体为相对黑体时热源的绝对温度；? 4 ――受体为被测物体时的热源绝对温度；T0――相对黑体的绝对温度； T源T 受――待测物体（受体）的绝对温度。 序号 1 2 37热源 A传导腔 B受体 （紫铜光面）备注 （室温 25 度） 40 分钟 45 分钟 50 分钟机电与能源实验中心能源与环境工程实验室4 555 分钟 60 分钟七、思考题1、在计算净辐射换热量时为何要采用封闭腔模型？ 2、结合本实验，说明角系数完整性的在实验中的应用。8机电与能源实验中心能源与环境工程实验室附录 μ V 温度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 0 0 591 20 30 19 79 503
μ V 1镍铬-铜镍（_铜）热电偶（E 型）温度-微伏对照表 μ V 2 59 651 118 711 45 60 54 19 647
μ V 3 176 770 07 26 22 89
18175 μ V 4 235 830 70 91 90 59
182529μ V 5 194 890 33 56 58 29
18328μ V 6 354 950 95 22 25 99
18405μ V 7 413 33 36 17 70 288
18482μ V 8 472 95 00 84 40 360
18559μ V 9 532 57 65 51 09 432
1863682 95 86 49 575
机电与能源实验中心能源与环境工程实验室实验三、空气定压比热容测定一、实验目的1． 了解气体比热测定装置的基本原理和构思。 2． 熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法。 3． 掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。 4． 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二．实验原理引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有： ?q ? du ? pdv 和 ?q ? dh ? vdp 定压时 dp ? 0? ?q ? ? dh ? vdp ? ? ?h ? cp ? ? ??? ??? ? ? dT ? ? dT ? ? ?T ? p此式直接由 c p 的定义导出，故适用于一切工质。 在没有对外界作功的气体的等压流动过程中：dh ? 1 ?Q p m则气体的定压比热容可以表示为：c pmt2 t1?m?t 2 ? t1 ?QpkJ/kg?℃式中： m ――气体的质量流量，kg/s；Q p ――气体在等压流动过程中的吸热量，kJ/s。由于气体的实际定压比热是随温度的升高而增大，它是温度的复杂函数。实验表明，理 想气体的比热与温度之间的函数关系甚为复杂，但总可表达为：c p ? a ? bt ? et 2 ? ?式中 a 、 b 、 e 等是与气体性质有关的常数。在离开室温不很远的温度范围内，空气的 定压比热容与温度的关系可近似认为是线形的，假定在 0-300℃之间，空气真实定压比热与 温度之间进似地有线性关系：c p ? a ? bt则温度由 t1 至 t 2 的过程中所需要的热量可表示为：q ? ? ?a ? bt ?dtt2 t110机电与能源实验中心能源与环境工程实验室由 t1 加热到 t 2 的平均定压比热容则可表示为：c pmt2 t1?? ?a ? bt?dtt2 t1t 2 ? t1t2 t1?a?bt1 ? t 2 2若以（t1+t2）/2 为横坐标， c pm为纵坐标（如下图所示） ，则可根据不同温度范围的平均比热确定截距 a 和斜率 b,从而得出比热随温度变化的计算式 a ? bt 。大气是含有水蒸气的湿空气。 当湿空气气流由温度 t1 加热到 t 2 时， 其中水蒸气的吸热量 可用式下式计算：Qw ? mw ? ?1.844 ? 0.0001172 t ?dtt2 t1式中： m w ――气流中水蒸气质量，kg/s。 则干空气的平均定压比热容由下式确定：c pmt2 t1?(m ? mw )?t 2 ? t1 ?Qp?(m ? mw )?t 2 ? t1 ?Q p '?Qw式中： Q p ' ――为湿空气气流的吸热量。三.实验设备1．整个实验装置由风机，流量计，比热仪本体，电功率调节及测量系统共四部分组成， 如图一所示。 2．比热仪本体如图二所示。由内壁镀银的多层杜瓦瓶 2、进口温度计 1 和出口温度计 8 （铂电阻温度计或精度较高的水银温度计）电加热器 3 和均流网 4，绝缘垫 5，旋流片 6 和 混流网 7 组成。气体自进口管引入，进口温度计 1 测量其初始温度，离开电加热器的气体经 均流网 4 均流均温，出口温度计 8 测量加热终了温度，后被引出。该比热仪可测 300℃以下 气体的定压比热。11机电与能源实验中心能源与环境工程实验室图 二 12机电与能源实验中心能源与环境工程实验室四．实验方法及数据处理1．接通电源及测量仪表，选择所需的出口温 度计插入混流网的凹槽中。 2．摘下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测出流 量计出口空气的干球温度（t0）和湿球温度（tw） 。3．将温度计插回流量计，调节流量， 使它保持在额定值附近。逐渐提高电压，使出口温度升高至预计温度[可以根据下式预先 估计所需电功率：W≈12Δt/τ 。式中 W 为电功率（瓦） ；Δt 为进出口温度差（℃） ；τ 为 每流过 10 升空气所需时间（秒）]。 4．待出口温度稳定后（出口温度在 10 分钟之内无变化或有微小起伏，即可视为稳定） ， 读出下列数据：每 10 升气体通过流量计所需时间（τ ，秒） ；比热仪进口温度（t1, ℃） 和出口温度（t2, ℃） ；当时大气压力（B，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（Δh，毫米 水柱） ；电热器的电压（V，伏）和电流（I，毫安） 。 5．据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，从湿空气的焓湿图查出含湿量（d，克/公斤 干空气）,并计算出水蒸汽的容积成分 ? w 。 6．电热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电表的内耗。如果伏特表和 毫安表采用图一所示的接法，则应扣除毫安表的内耗。设毫安表的内阻为 RmA 欧，则可得电 热器单位时间放出的热量为 Q p ' 。 7．水蒸气和干空气质量流量的计算，可按理想气体处理。 8. 计算实例 某一稳定工况实测参数如下：t0 ?8 ℃ ,t w ? 7.8 ℃ ,tf ?8 ℃ ,Bt ? 99.727kPa,t1 ? 8 ℃ ,t 2 ? 240.3℃, ? ? 69.96s/10l， ?h ? 16mmH2O 柱， Q p =41.842W，由t0，t w 查焓-湿图得 ? ? 94%， d ? 6.3g/kg 干空气。yw ? 6.3 / 622 ? 0. ? 6.3 / 622计算： （1）水蒸气的容积成分：（2）电加热器单位时间放出的热量：Q? p ? 3.6 ? Q p ? 3.6 ? 41.842 ? 150.632（3）干空气质量流量：kJ/hmg ??1 ? 0.010027? ? ?1000 ? 99.727 ? 9.81? ? 16 ? 36 / 69.96 287?8 ? 273.15?? 0.63048 kg/h（4）水蒸气质量流量：mw ?0.0 ? 99.727 ? 9.81? ? 36 / 69.96 ? 0..5?8 ? 273.15?13kg/h机电与能源实验中心能源与环境工程实验室（5）水蒸气吸收的热量为：Qw ? 0..833?240.3 ? 8? ? 1.556 ? 10 ?4 240.32 ? 8 2 ? 1.728 kJ/h则干空气的平均定压比热容为：????c pm240.3 8?150.632 ? 1.728 ? 1.48?240.3 ? 8?kJ/h五．注意事项1．切勿在无空气流通过的情况下使用电加热器工作，以免引起局部过热而损坏比热仪。 2．电加热器输入电压不得超过 220V，气体出口温度不得超过 300℃。 3．加热和冷却缓慢进行，以防止温度计和比热仪本体因温度骤升骤降而破损；加热时要先 启动风机，再缓慢提高加热器功率，停止试验时应先切断电加热器电源，让风机继续运 行 10 至 20 分钟。 4．实验测定时，必须确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。六、实验报告1．简述实验原理和仪器构成原理。 2．列表给出所有原始数据记录。 3．列表给出实验结果（数据处理，要附有例证） 。 4．与下述经验方程比较T 2 C p ? 1.02319 ? 1.76019 ? 10 ?4 T ? 4.02402 ? 10 ?3 ( ） 100 T 3 ? 4.87268 ? 10 ?4 ( ) KJ /( kg ? K ) 100其中：T 为空气的绝对温度，K。 5．分析造成实验误差的各种原因，提出改进方案；七、思考题1．在本实验中，如何实现绝热？ 2．气体被加热后，要经过均流、旋流和混流后才测量气体的出口温度，为什么？简述均流 网、旋流片和混流网的作用？ 3．尽管在本实验装置中采用了良好的绝热措施，但散热是不可避免的。不难理解，在这套 装置中散热主要是由于杜瓦瓶与环境的辐射造成的。你能否提供一种实验方法（仍利用 现有设备）来消除散热给实验带来的误差？14机电与能源实验中心能源与环境工程实验室实验四、空气横掠单管时平均对流传热系数的测定一、实验目的1. 测定空气横掠单管时的平均对流传热系数，了解其变化规律； 2. 了解实验装置和测量的组成，熟悉空气流速及管壁温度的基本测量方法； 3. 掌握对流传热实验数据的处理方法。二、实验原理根据牛顿冷却公式，对流传热量可按照下式计算? ? hF (tw ? t f ) W2(1)2式中， h 为对流传热系数， W/(m ? ℃) ； F 为传热面积， m ； t w 和 t f 分别固体壁面的温 度和流体的平均温度，℃。根据对流传热理论，对流传热系数的变化规律可以用以下的特征 数关系式表示Nu ? f (Re, Pr)式中努塞尔数定义为 Nu ?(2)hD?，雷诺数定义为 Re ?u? D?， Pr 为流体的普朗特数， D 是换热面的特征尺寸， m ； ? 是流体的热导率， W/(m? ℃) ； u? 是来流速度， m/s ；? 是流 体的运动粘度， m /s 。 空气在温度变化不大时，上式中的 Pr 变化很小，可以近似看作常数。式（2）可简化为2Nu ? f (Re)(3)在对流传热实验中，可以通过改变来流速度或管子的直径使 Re 在一定范围内变化，同 时测算出对应条件下，以上各个物理量的值，再整理出 Nu 和 Re 之间的关系。三、实验设备及测量系统1. 系统的组成与结构 实验装置由本体、控制箱和计算机组成，如图 1.所示。装置本体由风箱和实验段，组 成，如图 2 所示。实验段采用透明的有机玻璃制作，风道中的发热元件用薄壁的不锈钢管15机电与能源实验中心能源与环境工程实验室制作，通过低压直流电进行加热。计算机控制箱试验段 风箱风口图 1 实验装置示意图图 2 实验装置本体和试验段ΔT实验管A V实验段ΔPT 毕托管风机 可调风口 风箱图 3 实验装置原理和结构示意图16机电与能源实验中心能源与环境工程实验室风箱中的离心风机提供风源，气流通过试验 段与其中的发热圆管进行对流传热。气流的流量 可以由风箱上可调节的风门控制，见图 3。 控制箱包括电源控制开关、加热电压调节和 指示、风机状态指示、风压变送、A/D 转换以及 和计算机通讯接口，见图 4。 2. 风速的测量 风速通过实验段风道中插入的皮托管测得的 气流动压间接得到。皮托管上与控制箱中的微差 压变送器用胶管连接，差压信号微差压变送器转换成 0～2.5V 的直流电压信号，经数据采集 模块转换成数字信号后采集到计算机中，再转换成风速。 3. 试验管段表面温度的测量 试验段表面温度与空气的温差通过两对热电偶测量，热电势信号通过数据采集模块转 换成数字信号后采集到计算机。 4. 空气温度的测量 空气温度的采用一对 K 型热电偶测得， 热电势信号通过数据采集模块转换成数字 信号后采集到计算机。 5. 传热量的测量 考虑到试验段两端的散热， 为了减小测 量误差，对流传热量是根据中间的有效测量段上的电功率得到的，见图 5。通过有效加热段 的电流和两端的电压通过数据采集模块转换成数字信号后采集到计算机。 图 5 有效测量段示意图有效测量段 V I图 4 控制箱面板四、测试方法及实验步骤1. 首先启动计算机，点击电脑桌面上的“SE-HR3”图标，运行测量程序； 2. 仔细阅读操作画面上的实验步骤提示，然后点击“我认真阅读了实验步骤”按钮； 3. 输入大气压力和相对湿度的测量结果； 4. 逐个输入小组成员的学号，点击“加入学号”按钮，全部输入完成时，点击“确认 学号”按钮，右下角的“开始测量”按钮颜色加深，提示可以进行测量；17机电与能源实验中心能源与环境工程实验室5. 首先打开风箱上风机电源旋钮，启动风机，调节风门使风量达到最大； 6. 打开加热器电源，调节加热电压，一般不要超过 0.3V； 7. 逐个双击画面上风机左侧的白色数据窗口，可以得到当时的测量数据，包括测试段 表面与空气的温差、加热电压、电流、气流的动压和空气温度； 8. 点击“开始测量”按钮即可记录实验数据，初始设置的采样周期为 5 秒。观察表面 与空气温差的曲线，待其基本不变时，按下“计算”按钮，计算出实验所需要的各 个参数，列在操作画面上的表格中，并将计算出的雷诺数和努塞尔数描在log Re ? log Nu 双对数坐标图上；9. 调节风门，重复步骤 7-8，直到风门最小（此时应注意观察加热器是否超温！ ） ； 10. 双击 log Re ? log Nu 对数坐标图，图上会显示一条红色的直线，表示的是按照最小 二乘法拟合出来的结果； 11. 点击“保存”按钮，按照对话框的提示将原始数据保存到指定的位置； 12. 将加热电压旋钮调到零，关闭加热器电源，将风门调到最大，5 分钟后关闭风机； 13. 将实验数据记录拷贝出来，以便进行整理； 14. 退出实验程序，关闭计算机，结束实验。图 6 实验过程中的操作和显示画面18机电与能源实验中心能源与环境工程实验室五、计算公式1. 空气的来流速度 空气的来流速度由毕托管经差压变送器和 A/D 转换得到的动压间接计算u? ?2?p?m/s(4)式（4）中 ?p 是毕托管测得的动压， Pa ； ? 是在来流温度下空气的密度 kg/m3 。 2. 实验段加热功率 加热功率由测得的实验管有效测量段两端的电压 V （V）和通过实验管的电流 I （A） 计算：? ?V IW(5)电流和电压均先通过 A/D 转换后再采集到计算机中。 3. 平均对流传热系数h?? ? DL ? tw ? t f ?W/(m2 ? ℃)(6)式中 L 是有效测量段的长度， m 。 4. 特征数经验关联式 如 果 将 实 验 中 每 个 工 况 的 数 据 整 理 后 得 到 的 Rei 和 Nui (i ? 1, 2,?, M ) 绘 在l o g R? elo Nu g 对数坐标图上，可以看出， Nu 和 Re 之间的关系可以近似用以下形式表示 log Nu ? log C ? n log Re(7) (8)即：Nu ? C Ren采用最小二乘法回归后，可以得到式（7）中的常数log C ?? log Nui log Rei ? log Rei ? ? log Nui ? ? log Rei ?i ?1 i ?1 i ?1 i ?1MMMM2? ? 2 ? ? log Rei ? ? M ? ? log Rei ? i ?1 ? i ?1 ?M M2(9)n?? log Nui ? log Rei ? M ? log Nui log Reii ?1 i ?1 i ?1MMM? ? 2 ? ? log Rei ? ? M ? ? log Rei ? i ?1 ? i ?1 ?M M2(10)19机电与能源实验中心能源与环境工程实验室在计算 Nu 和 Re 时，所涉及的物性参数是在膜温度 tm ?tw ? t f 2下计算得到的数据，在计算机处理数据的过程中，已经计入了大气压力 PB 和空气相对湿度 ? 的影响。六、实验要求1. 预习实验指导书，掌握实验原理和实验方法，拟定实验方案，使雷诺数 Re 的范围 尽量大； 2. 设计数据表格，记录原始数据，并自行求得各工况对应温度下的物性参数、雷诺数 和努塞尔数； 3. 参 考 实 验 测 量 软 件 ， 将 测 量 点 描 在 （ 或 计 算 机 绘 图 ） 双 对 数 坐 标 纸 上 （ log Re ? log Nu ） ，用最小二乘法计算公式求出特征数经验关联式； 4. 将特征数关联式在 log Re ? log Nu 图上绘出，并与实验测量的数据点进行对比， 5. 撰写实验报告，内容包括实验目的、实验原理和实验方法、实验装置简介、原始数 据表格、实验数据的整理过程和计算结果以及绘制的双对数坐标图，对实验装置、 实验方法及实验结果等方面的问题进行讨论分析等。七、注意事项1. 为了保护加热器不超过允许使用温度（&150℃， ?t &120℃） ，在实验开始时应首 先启动风机，然后再接通加热电源； 2. 在实验过程中应注意观察温差的变化曲线，一旦超温（屏幕上加热管左侧的指示灯 会变红）应立即关闭加热器电源； 3. 实验过程中可从大风量到小风量的顺序进行测量，这样可以使加热器的温度逐步升 高，对温度高低容易把握，以避免一开始就达到很高的温度。 4. 实验结束时，应先关闭加热器电源，然后再关掉风机。八、思考题1. 为什么测量实验段的功加热率时只计算有效测量段上的功率？ 2. 有效测量段上只设了两对热电偶，测得的温度与管壁平均温度是否有偏差？20机电与能源实验中心能源与环境工程实验室3. 如果不采用计算机数据采集系统，那么需要哪些测量仪表才能完成本实验？ 4. 本实验中测量误差的来源有哪些，应如何控制。21机电与能源实验中心能源与环境工程实验室实验五、圆球法测定粒状材料导热系数一、实验目的1． 在稳定状态条件下，利用圆球法测定粒状材料的平均导热系数 ? ； 2． 熟悉温度等热工基本量的测量方法。二、实验原理两个直径不同的空心圆球，圆球壁很薄，并且同心放置，两球之间充满一定密度，需要 测定的颗粒状材料，内球的内部装有一个电加热器，当电加热器通电加热时，其产生的热量 Q 将沿圆球表面法线方向通过颗粒状材料向外传递，假定内球壁面温度为 t1，外球壁面温度 为 t2，球面各点温度均匀，且 t1＞t2，当温度不随时间变化时，说明已达到稳定状态，根据 球坐标下的稳定导热傅里叶定律，有 dt dt （3－1） Q ? ??A ? ?? 4?r 2 dr dr 其中?为材料的导热系数。导热系数不仅与材料的种类、结构、密度等因素有关，还与 材料的温度有关， 在不太大的温度范围内， 大多数材料的导热系数与温度近似成线性关系即? ? ?0 (1 ? bt )式中：?0――0℃时导热系数， W /( m ? K ) ； b――温度系数。 将式（3－2）代入式（3－1） ：Q ? ??0 (1 ? bt ) ? 4?r 2 dt dr（3－2）分离变量后积分：b Q 1 t ? t2 ? ? ?C 2 4??0 r（3－3）常数 C 根据边界条件求得： d 当r ? 1 时, t ? t1 2 d2 r ? 时, t ? t 2 2 b 2 Q 2 t1 ? t1 ? ? ?C 2 4?? 0 d1 b 2 Q 2 t2 ? t2 ? ? ?C 2 4?? 0 d 2 以上两式消去常数 C，整理后得：?0 [1 ? b(t1 ? t 2 Q 1 1 )](t1 ? t 2 ) ? ( ? ) 2 2? d1 d 222（3－4）机电与能源实验中心能源与环境工程实验室令t?t1 ? t 2 2? ? ? 0 (1 ? b t ) ? ? 0 [1 ? b(则式（3－4）化简后得：t1 ? t 2 )] 21 1 ? ) d1 d 2 ?? 2? (t1 ? t2 ) Q(Q＝UI 式中： ? ――t1~t2 范围内的平均导热系数， W /( m ? K ) ； d1、d2――内球与外球直径，m； t1、t2――内球与外球壁温，℃ I――通过电加热器电流，A。（3－5）U――电加热器两端电压，V。 因此，可根据内球外径 d1，外球内径 d2，测量热流 Q 及内外球壁温 t1，t2，求得粒状材 料的平均导热系数。 若要求式（3－2）中温度系数 b，可调节加热功率，在另一个工况下测定 t1 与 t2，以求 得另一个平均导热系数 ? 值，再利用式（3－2） ，解两个方程式求得。三、实验装置加热器A电流表 电 压 表V桥 式 整 流 变压器内外圆球 热 电 偶颗粒状材料电 位 差 计 切换开关 冰 瓶图 3－1 圆球导热仪本体及测量系统 如图 3－1 所示，由两个壁很薄的空心同心圆球组成，内球直径 d1＝80mm，外球直径 d2＝160mm，内球内部装有电加热器，分别与电流表串接，与电压表并接，用以测量其发热 量 Q 值，热量通过待测材料传给外球，然后通过外球表面与空气之间的对流而传给空气。 内球表面均匀分布三对铜－康铜热电偶，可测内球壁温 t1w、t2w、t3w，外球内壁面设有与内 球相对称的三对铜－康铜热电偶，可测外球壁温 t4w、t5w、t6w。23机电与能源实验中心能源与环境工程实验室四、实验步骤1．按图接好电流表、电压表及测温电位差计。 2．将操作盘上调压变压器旋钮反时针调到零，然后合电闸，慢慢升高电压到某一定值。 （注：以上两步，因加热稳定需要 5 小时，所以实验前已调好） 。 3．测温电位差计校零，当温度达到稳定后，内球与外球各点温度可按下琴键开关选择， 每隔五分钟测量一次，测量 3－4 次，然后将几组数据取平均值。 4．根据电势值查阅铜―康铜热电偶分度表，求得各点温度值。 5．如果求温度系数 b，调变压器改变加热电压，重复上述步骤 3、4（由于稳定时间较 长，求温度系数 b 值的实验可不做） 。 6．结束实验，切断圆球加热电源。五、数据记录整理内球壁温 次 数 t1w mv 1 2 3 4 5 6 t2w mv t3w mv 外球壁温t内℃t4w mvt5w mvt6w mvt外℃UI?W /( m ? K )VA六、实验报告内容实验报告应包含以下各项内容： 1．列出实验目的； 2．简述实验所依据的基本理论； 3．画出本实验的实验装置简图，并简述实验步骤； 4. 列出本实验过程中记录的原始数据及最终的计算、处理结果； 5. 分析实验中误差产生的原因及改进方法。七、思考题1．用什么方法来判断、检验球体导热过程已达到稳定状态？24机电与能源实验中心能源与环境工程实验室2．试分析内外圆球不同心，试材充填不均匀所产生的影响？ 3．圆球导热仪周围如果空气有扰动时会产生什么影响？ 4．为什么在内外圆球表面分别要测取三点温度？ 5．加热器电压波动会产生什么影响？ 6．假设夏天圆球周围有电风扇在吹，或者是冬天有学生把手捂住圆球取暖，试分析测 试出来的导热系数偏大还是偏小？ 7．假设圆球还处于加热升温过程中，未达到稳态，而学生已开始测试记录数据，试分 析测试出来的导热系数偏大还是偏小？25机电与能源实验中心能源与环境工程实验室实验六、喷管实验一、实验目的1．了解空气流在喷管中流动时，其流速、压力沿轴线的变化规律和流量随背压的变化 规律。 2． 了解不同形式喷管中气流的流动特点，加深对临界状态、出口截面压力及背压等基 本概念的理解。 3． 学习压力、流量等测量仪表的使用方法。二、实验原理喷管用来使气流加速。喷管内的气体流动过程可视为等熵过程。 根据可压缩气体一元稳定等熵流动的连续方程、能量方程和状态方程： 连续方程：?1v 1 A 1? ? 2 v 2A?2 mv2 v2 k k RT1 ? 1 ? RT2 ? 2 k ?1 2 k ?1 2 p（1）能量方程：（2）状态方程：?? Rg T（3）假设喷管进口载面上的速度可以忽略， 即把进口截面上气流的状态视作滞止状态， 即可 得喷管出口截面上的速度：v2 ?k ?1 ? ? 2k p 0 ? ? p 2 ? k ? 1? ? ? k ?1 ?0 ? ? p0 ? ? ? ? ? ? ? ?（4）通过喷管的质量流量：m ? ?2v2 A2 ? ?0 A22 p k ?1 2k p0 p2 k [( ) ? ( 2 ) k ] k ? 1 ?0 ?0 p0（5）式中，p0、ρ0 分别为进口截面上气流的滞止压力和滞止密度； p2、ρ2 分别为出口截面上气流的压强和密度； v2、A2 分别为出口截面上气流的流速和截面积。 喷管有两种形式，即渐缩喷管和缩放喷管（也称拉伐尔喷管） 。由理论分析可知，对于 渐缩喷管， 出口截面上的最大流速只能等于临界音速。 由滞止状态和临界状态各参数间的关 系，临界音速可表示为：acr ?2k p 0 k ? 1 ?026（6）由此可知，通过渐缩喷管的最大质量流量为：机电与能源实验中心能源与环境工程实验室mm a x? ? cr acr A2 ? A22k ? 2 ? ? ? k ?1? k ?1?2 k ?1p0 ? 0（7）对于缩放喷管， 其通过的质量流量受到喉部截面的限制。 当喉部截面的气流达到临界状 态时，通过的质量流量达到最大，可表示为：mmax ? ? cr acr A喉部 ? A喉部2k ? 2 ? k ?1 ? ? p0 ? 0 k ? 1? k ? 1?2（8）当喷管出口截面外环境的压力 PB（习惯也称背压）等于喷管设计出口压力 P2d 时，称喷 管的工作状况为设计工况。 当背压不等于喷管设计出口压力时， 称喷管的工作状况为非设计 工况。喷管在非设计工况下工作时，喷管内的流速、压力沿轴线的变化规律及通过的质量流 量会与设计工况时不同。现讨论如下： 1．渐缩喷管在非设计工况时的工作 临界压力：? 2 ? k ?1 pcr ? ? ? p0 ? k ?1?k（9）当背压大于临界压力，即 PB&Pcr 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27机电与能源实验中心能源与环境工程实验室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） 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) 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) 式中， ε ― 流速膨胀系数（10）（11）（12）（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(℃)28机电与能源实验中心能源与环境工程实验室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) 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。 （15）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29机电与能源实验中心能源与环境工程实验室兰盘上的紧固螺丝，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 实现。在喷管后的排气管上还装有背压真空表。真空罐 7 起稳定背压作用。罐内 的真空度通过调节阀 8 来调节，为了减少振动，真空罐与缓冲联接软管 13 连接。计算机测 试装置包括：负压传感器、压差传感器、位移电位器、电控板、计算机。负压传感器、压差 传感器、位移电位器分别将可移动真空表、U 形管压差计的压力信号和测压探针在喷管内不 同截面上的位移信号换成电讯号，由计算机软件直接绘出实验曲线。图 6 渐缩喷管图 7 缩放喷管四、全手动操作实验步骤1．装上所需的喷管，将“坐标校准器”调好：即使指针对准“位移坐标板”零刻度时， 探针的测压孔正好在喷管的入口处。 2．打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车 1～2 转，打开冷却水阀门，关闭罐后调 节阀 9，然后启动真空泵，一切正常后，全开罐后调节阀 9。 3．测量喷管轴向压力分布情况 Px/P1=f(x) 1）用罐前调节阀 8 调节背压至一定值（见真空表读数） ，并记下该数值。 2）转动手轮使测压探针由入口向出口方向移动，每移动一定距离（一般约 5mm） 便停顿一下，记下该测点的坐标位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之处， 于是便得到一条在这一背压下喷管内的压力分布曲线。 4．测量喷管流量变化情况： m ? f ( pB p1 ) 1）转动手轮把测压探针的引压孔移到喷管出口截面之外，打开罐后调节阀，关闭罐 前调节阀。 2）用罐前调节阀 8 改变背压值，使背压值每变化 0.01MPa 左右便停顿一下，同时将 背压值和 U 型管压差计的差值读数记下来，以便查图 8 得到质量流量。图 8 中 的流量修正项 εβγ 可近似等于 1。当背压为某一值时，U 型管压差计的液柱便不 再变化（即流量已达到了最大值） ，此后尽管不断地降低背压，但 U 型管压差计 的液柱高度仍保持不变，这时再测 2 到 3 个值即可。到此，流量测量完成。 5．渐缩喷管和缩放喷管的压力和流量测量方法相同，其曲线见图 1、图 2 和图 3、图 4。30机电与能源实验中心能源与环境工程实验室但应注意的是，测量临界参数必须把测压孔对准喉部最小截面处。 6．打开罐前调节阀 8，关闭罐后调节阀 9，让真空罐充气。3 分钟后关闭真空泵，立即 打开罐后调节阀，让真空泵充气（防止回油） ，最后关闭冷却水阀门。图 8 孔板流量计m???? ?p 曲线五、计算机操作实验步骤1．实验准备1) 接线图图 9 电控箱外型31机电与能源实验中心能源与环境工程实验室电路板及插头说明：图 10 电路板照片说明：若使用无温度传感器的测控软件版本，则可以不接温度传感器。 传感器接线如图 11 所示：图 11 传感器接线图说明：若使用无背压传感器的测控软件版本，则可以不接背压传感器。 2) 传感器标定 传感器标定由系统管理员标定，学生实验可不看此页。 打开“设置（Y） ”菜单，选择“传感器标定” ，跳出如下对话框，然后输入用户名及密32机电与能源实验中心能源与环境工程实验室码，登陆即可进行标定。 进行位移标定时可以不开机，等将所有标定值输入后再行开机 。 传感器标定初始密码即管理员登陆密码为： “123456” 。图 12 管理员登陆窗图 13 传感器标定窗口1）位移标定 先选择起点，把探针手动摇到某一点作为起点（推荐是 0mm，工作在自动模式下时， 会自动提醒将起点值设置在 0mm 处） ， 读出该点的值填入图 2 所示的起点标定值一栏中， 点击采集，自动从下位机读入采集值，起点设置成功。再选择终点进行标定，把探针手动摇 到另一点作为终点（推荐是 50mm） ，读出该点的值填入图 13 所示的终点标定值一栏中，点 击采集，自动从下位机读入采集值，终点设置成功，点击确定完成位移标定。 2）负压标定 先选择起点，把探针手动摇到某一点（推荐是 55mm） ，此时负压约等于背压。调节罐 前调节阀使真空泵显示 0.09MPa，此时标定值为 5KPa。点击采集，自动从下位机读入采集 值，起点设置成功。终点标定时真空泵显示值为 0MPa，终点标定值为 102KPa。点击采集， 自动从下位机读入采集值，终点设置成功，点击确定完成负压标定。 3）压差标定 压差标定时罐前、罐后调节阀全开，此时初始压差标定值为 0Pa，点击采集自动从下位 机读入采集值，起点设置成功。把探针手动摇到 55mm 处，此时由 U 型管读出压差值即为 压差终点标定值。点击采集，自动从下位机读入采集值，终点设置成功，点击确定完成压差 标定。 2．实验登录 1）实验者登陆 打开“登陆”菜单，选择“实验者”，输入“学号”、“用户名”。33机电与能源实验中心能源与环境工程实验室图 14 登陆菜单图 15 用户登陆窗口2）管理员登陆与密码修改 （1）打开“登陆”菜单，选择“管理员”，输入“用户”及“密码”，初始密码为“123456”。图 16 登陆菜单图 17 管理员登陆窗口（2）打开“设置”菜单，选择“管理员密码”，按提示输入原密码及新密码，点击“确定” 即修改成功。图 18 设置菜单图 19 修改管理员密码窗口34机电与能源实验中心能源与环境工程实验室3）采样周期设置图 20 设置菜单图 21 采样周期设置打开窗体上方“设置（Ｙ） ”菜单，选择“采样周期（Ｘ） ” ， ‘在“采样周期设置”窗口 中可根据实验要求设置采样周期，周期的设定范围为 200ms--2000ms 。系统默认周期是 300ms。 4）通讯串口设置图 22 设置菜单图 23 串口设置打开“设置（Ｙ） ”菜单，选择“通讯串口（Ｙ） ” ，在输入“管理员账号”及相应密码 （系统初始管理员密码：123456）后，才可进行此项设置。根据串口与计算机的实际连接情 况进行选择。设置完成后，打开“测试（Ｘ） ”菜单，选择“通讯测试（X） ” ，如果通讯正常， 则会跳出“通讯成功”对话框；如果通讯不正常，则会跳出“通讯失败”对话框，失败原因 可能是串口设置与计算机实际连接不符，也可能为硬件问题，应首先检查串口设置。 5）探针位移的控制图 24 探针定位移动游标，点击“开始定位”按钮，探针就可到达游标所指的位置。如果仪器设备通信 失败则无法定位指针到指定位置，这时应该检查是何通信故障。图 25 探针位移35机电与能源实验中心能源与环境工程实验室蓝色游标指示当前探针位置。 3．开始实验 1）实验方式设定图 26 实验方式设定在“自动运行”方式下，探针的移动由电机带动； 在“手动运行”方式下，探针的移动通过手摇探针取压移动机构，在此方式下，数据继 续采集，只是探针的移动是通过手摇的。 电机的转向在“自动运行”方式下有效。 2）新建实验 实验开始时，若弹出“Invalid port”提示框，表示您当前所用的串口与您在测控软件中 设置的串口不一致，请点击“确定”后，进入“通讯串口设置”进行串口选择，具体操作请 看“通讯串口设置”帮助提示。 打开“系统（V） ”菜单，选择“新建实验” ，跳出如图 15 对话框，输入“姓名” 、 “学号” 。 单击“确定”新建成功。图 27 系统菜单图 28 实验数据输入也可打击工具栏，新建实验。点击“新建”按钮之后会弹出上图的用户登陆窗口，如图 15 所示。再输入“姓名” 、 “学号” 。单击“确定”新建成功。 在登陆之后会出现图提示框， 要求在每次实验开始之前都必须输入当前大气压值和温度 值，如图 28 所示。该数据由实验室仪表提供，并由实验者手动输入。 3）全自动计算机操作36机电与能源实验中心能源与环境工程实验室（1）负压实验图 29 菜单栏和工具栏① 如图 29，选择“负压测试” ，如变成深蓝色且显示有“负压--位移 曲线”标题时， 表示选中。单击主菜单“开始”实验。 ②开启真空泵，调整罐前调节阀 8，使喷管的背压设定为某一值，如 0.03MPa。 ③按下“开始”按钮，这时，压力位移曲线会随着电机的行进渐渐的在计算机屏幕中显 示出来，同时，还会显示当前的位移值与负压值。当水平位移值达到 50mm 时，电机会自 动停止，并给出相应的提示。 ④按下“保存”按钮，整条曲线数据，将会保存起来。 ⑤按下“打印”按钮，当前的所有的实验参数和测量数据将会在打印出来。 ⑥重复过程 a-e，进行多次测量，得到如图 30 所示结果。 ⑦完成压力位移测量实验。图 30 负压测试位移-压力曲线图 31 曲线操作示例点击右键我们可以对实验曲线进行以下操作： “光标查询” 、 “曲线移动” 、 “框选放大” 、 “恢复显示” 、 “保存” “打印”等操作，对于单独 某条曲线我们还可以进行“显示”或者“重做”的操作。如图 31 所示 （2）流量实验37机电与能源实验中心能源与环境工程实验室图 32 菜单兰与工具栏① 如图 32，选择“流量测试” ，如变成深蓝色且显示有“流量--负压 曲线”标题时表 示选中。单击主菜单“开始”实验。 ②按下电机行进开关按钮，将“位移指示指针”移至“位移坐标板”大于 55mm 刻度处。 ③打开罐前压力调节阀 8，逐渐关闭罐后压力调节阀 9，按下数据采集开关，这时，压力 流量曲线会随着压力调节阀渐渐的关闭在计算机屏幕中显示出来， 同时， 还会显示当前的压 差值与流量值。 ④当罐后压力调节阀 9 彻底关闭时，屏幕上会显示一条完整的压力流量曲线。 ⑤各按键功能请参考压力位移的测量。 ⑥将罐后的压力调节阀重新渐渐打开， 可以得到一条与上次测量反行程的压力流量曲线。 如图 33 所示。 ⑦打开罐前调节阀 8，关闭罐后调节阀 9，让真空罐充气；3 分钟后关闭真空泵，立即 打开罐后调节阀 9，让真空泵充气(防止回油)；最后关闭冷却水阀门。实验测量完成。 流量测试操作与负压-位移测试相似。图 33 流量测试压力-流量曲线4）手工操作计算机记录 本系统可以采用手工操作并让计算机进行记录。实验步骤与全自动计算机操作基本相 同，不同的只是在负压实验时，电机转动有手工来完成。在控制界面中将实验方式选择为手 动操作即可，如图 34 所示。图 34 手动实验方式38机电与能源实验中心能源与环境工程实验室4．实验注意事项 1）本系统只需计算机的最低配置（256M 内存） ，使用时需连接好计算机与喷管实验分析 仪程控机箱的接口，否则不能正常采集。 2）实验开始时，如发现当前弹正针处于位置不合理，系统会弹出提示调整探针，调整完 成后即继续进行实验。 3）每做完一次采集过程都会弹出提示信息，确认是否继续下一条曲线的采集，[确认]继 续实验，[取消]则停止实验。 4）负压实验、流量实验可以进行 8 次采集过程，曲线图上也将显示相应的曲线，实验完 后，点击右键，可对相应的曲线进行 [显示]和[重做]等操作。 5）更换传感器时，重新进行数据采集，需要重新设置标定系数与零点。 6）本系统工作在“Windows 2000/Windows XP”方式。 7）测量完成时，必须先打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气，3 分钟后关 闭真空泵，立即打开罐后调节阀，让真空泵充气(防止回油)；最后关闭冷却水阀门。六、实验数据查询图 35 系统菜单1．当前实验数据查询 打开“系统（Ｖ） ”菜单，选择“实验数据” ，再选择“当前实验数据” ，即可察看当前 实验数据，如图 35 所示。 或点击工具栏 查看当前数据。负压测试时点击“负压测试”可以观察负压测试实时数据，流量测试时点击“负压测试”可以观察流量测试实时 数据。负压、流量实验可以显示 8 组实时数据。如图 36 所示。图 36 实时数据框39机电与能源实验中心能源与环境工程实验室点击工具栏可退出当前数据查询状态，回到显示曲线窗口。2．历史实验数据查询 打开“系统（Ｖ） ”菜单，选择“实验数据” ，再选择“历史实验数据” ，即可察看历史 实验数据，如图 35 所示。或则直接选择工具栏中的 37 所示： 进行查询。查询界面如图图 37 历史查询框在图 37 中的查询内容中输入学号或者实验者姓名，然后点击“查询”即可到该学号或 者实验者的历史记录界面。 双击实验者姓名或者学号即可查看该实验者的详细实验信息， 如 图 38 所示： 在该对话框中， 可完成如下操作： “数据显示” 、 “曲线显示” 、 “导到 Excel” 、 “打印预览” 、 “删除记录” 、 “全部删除” “返回”等操作。图 38 历史查询学号选择40机电与能源实验中心能源与环境工程实验室1）显示数据：点击图 38 的“负压测试”可以查看负压测试历史数据，点击“流量测试” 可以查看流量测试历史数据。双击“测试类型” 、 “数据表” 、 “时间”三项中任意一项均可得 到详细的历史数据即实现数据显示功能。点击“返回”可退出数据显示状态。图 39 历史数据查询2）显示曲线：在图 38 的界面下将想要查询的曲线栏下打勾，并点击“曲线”按钮可以 显示用户选择的相应曲线，最多同时只能显示 8 条曲线,点击“返回”可退出曲线显示状态。图 40 历史曲线查询3）导到 Excel：可以将当前记录数据保存并转化为 Excel 表格形式。41机电与能源实验中心能源与环境工程实验室4） 打印预览： 预览当前选择的一项记录的数据。 打印预览图如图 41 所示： 点击 “close” 退出预览。图 41 打印预览图5）删除记录：删除单条所选记录，必须有管理员登陆，只有管理员才有此操作权限。 若管理员未登陆，点击“删除记录”时会弹出图 42 提示框，点击“确定”后弹出管理员登 陆框，输入管理员密码后再点击“删除记录”则会弹出图 43 提示框，按下“确定”则执行 删除操作。图 42 删除记录提示框图 43 确定删除提示框6）全部删除：删除该实验者的所有实验数据，只有管理员才有此操作权限。操作过程 同 5） 。42机电与能源实验中心能源与环境工程实验室七、实验数据记录与处理1．喷管内压力分布记录 喷管形式： 喷管背压真空表 Pv= （MPa） 喷管截面至进口 距离 x（mm） 大气压力：Pa＝ 喷管背压真空表 Pv= （MPa） 喷管背压真空表 Pv= （MPa） PB＞P2d（缩放喷管） PB＞PCr（渐缩喷管） 真空度 绝对压力PB＜P2d（缩放喷管） PB＝P2d（缩放喷管） PB＜PCr（渐缩喷管） PB＝PCr（渐缩喷管） 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 喷管出口绝对压力计算： P x＝P0－Pv （Pa） 式中：Pa――大气压力计读数，Pa； Pv――真空压力表读数，Pa； 缩放喷管出口设计压力 P2d＝620 mmHg。 喷管进口绝对压力计算： P1＝P0－0.97△P (Pa) 流量测量根据孔板流量压差计读取，压差△P 查图 8 值(kg/s)，取 εβγ=1。m???? ?P 曲线，m???值为近似流量43机电与能源实验中心能源与环境工程实验室2．流量试验记录 大气压力 Pa＝ 环境温度 t0= 喷管背压 PB 真空度 MPa 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 临界压力 Pcr 最大流量 mmax 计算值 实测值 计算值 实测值 （MPa） （MPa） （kg/s） （kg/s） 绝对压力 MPa hPa ℃ 喷管形式： 喉部截面积： 喷管进口压力 P1 真空度 MPa 绝对压力 MPa Amin＝ 喷管流量 孔板压差△P Pa m kg/s八、实验报告内容实验报告内容应包含以下各项： 1．列出本实验目的； 2．简述本实验所依据的理论； 3．画出本实验的实验装置简图并简述实验步骤； 4．列出本实验的数据记录及最终的计算、处理结果； 5． 若有必要，对实验测得的结果和理论计算结果进行比较，分析实验测得的结果与理 论计算所得结果之间产生偏差的原因。九、 思考题1． 当渐缩喷管几何尺寸确定， 通过喷管最大质量流量只取决于进口气体状态， 为什么？ 2．从缩放喷管的流量曲线图 3 可以看到，直到出口处的背压 PB 变得很高，甚至超过临 界压力时，通过喷管的气体质量流量仍保持不变，这是为什么？ 3．通过本实验的观察和测定，你对喷管中出现临界现象有那些认识？ 4． 估定渐缩喷管临界压力， 除调节背压保持流量不变外， 有其它方法来确定临界压力？ 5．你采用什么方法使测压探针的静压孔处在渐缩喷管出口截面位置？ 6．实验测量结果与理论值有什么差别？原因是什么？44机电与能源实验中心能源与环境工程实验室实验七、静水压强实验一、实验目的要求1、掌握用测压管量测静水压强的技能；测定液体自由表面上的压强和静止液体内任意一点 的静水压强。 2、验证不可压缩液体静力学基本方程。 3、加深理解位置水头、压强水头、测压管水头及真空的概念，并观察静水中任意两点的测 压管水头 z ? P ? C?4、通过对诸多水静力学现象的分析研讨，进一步提高解决水静力学实际问题的能力。二、实验装置本实验的装置如图 1.1 所示1、 测压管 7、通气阀2、带标尺测压管 8、截止阀1.1 液体静力学实验装置 3、连通管 4、真空测压管 5、U 型测压管 9、油柱 10、水柱 11、减压放水阀6、加压打气球说明： 1、 所有测压管液面标高均以标尺（测压管 2）零读数为基准； 2、 仪器铭牌所注B、C、D 系测点 B、C、D 标高；若同时取标尺零点作为水静力学基本 方程的标准，则 B、C、D 亦为 ZB、Z C、ZD； 3、 本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。45机电与能源实验中心能源与环境工程实验室三、实验原理在重力作用下不可压缩水静力学基本方程： z ? P ? C 或?p=p 0+γ h式中：z― 被测点在基准面以上的位置高度； p― 被测点的静水压强，用相对压强表示，以下相同； p0― 水箱中液面的表面压强；? ― 液体容重；h― 被测点液体深度；h1?0h2?????0????图 1.2图 1.3另对装有水、油（图 1.2 及图 1.3）U 型测管，应用等压面可得油的比重 So 有下列关系：S0 ??0 h1 ? ? w h1 ? h2据此可用仪器（不另用尺子）直接测得 S0。四、实验方法与步骤1、 搞清仪器组成及其用法。包括： ① 各阀门的开关； ② 加压方法：关闭所有阀门（包括截止阀） ，然后用打气球充气； ③ 减压方法：开启筒底阀 11 防水； ④ 检查仪器是否密封：加压后检查测压管 1、2、5 液面高程是否恒定。若液面下降，则表 明漏气，应查明原因并加以处理。 2、 记录仪器号 NO，及各常数（记入表 1.1）. 3、 量测点静压强(各点用厘米水柱高表示)。46机电与能源实验中心能源与环境工程实验室① 打开通气阀 7（此时 P 0=0） ，记录水箱液面标高 0 和测压管 2 液面标高 H(此时 0=H)；② 关闭通气阀 7 及截止阀 8，加压使之形成 P 0&0，测记 0 及H； ③ 打开放水阀 11，使之形成 P 0&0（要求其中一次 4、 测出 4#测压管插入小水杯中的深度。 5、 测定油比重 S0。 ① 打开通气阀 7，测记 0； ② 关闭通气阀 7， 打气加压 （P 0&0） ， 微调放气螺母使 U 形管中水面与油水交界齐平 （图 1.2） ， 测记测记 0 及H（此过程重复 3 次） ； ③ 打开通气阀 7，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀 11 降压（P 0&0）使 U 形 管中水面与油面齐平（图 1.3）测记测记 0 及H（此过程重复 3 次） 。pB?? 0 ，即 H& B）, 测记 0 及H；五、实验成果及要求1、记录有关常数 实验装置台号 NO ；各测点的标尺读数为： B= cm， C= cm， D= cm，γW=N/cm32、 分别求出各次测量时 A、B、C、D 点的压强，并选择一基准面检验同一静止液体内任意 两点 C、D 的（ z ?P?0）是否为常数。 = N/cm33、 求出有油的容重。 ?。 cm4、 测出 4#测压管插入小水杯中的深度。△h4 =六、实验分析与讨论1、同一静止液体内的测压管水头线是一根什么线？ 2、当 PB&0 时，试根据记录数据确定水箱内的真空区域。 3、如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？ 4、过 C 点作一水平面，相对管 1、2、5 及水箱液面而言，这个水平面是不是等压面？哪一 部分液体是同一等压面？ 表 1.1 液体静压强测量记录及计算表 实验条 次 水 测 单位：cm 压强水头 测压管水头47机电与能源实验中心能源与环境工程实验室件数箱 液 面 0压 管 液 面 pAp??Bp?Cp?DZc ?Pc?ZD ?PD?P0 ? 01 1P0 ? 02 3P0 ? 0其中一 次1 2PB ? 0PA3注： 表中基准面选在cm， Z Ccm, Z Dcm?? ? H ? ?0PB；?? ?H ? ?BPC；?? ? H ? ?CPD；?? ?H ? ?D表 1.2 油容重测量记录及计算表 测 水 压 次 实验 数 条件 面 面 液 液 箱 管单位：cmh1 ? ? H ?0h1h2 ? ? 0 ?Hh2S0 ??0 h1 ? ? w h1 ? h2?0?H48机电与能源实验中心能源与环境工程实验室P0 ? 0且U型 管中 水面12----与油 水交 界面 齐平 3-----S0 ??0 ?1P0 ? 0且U型 管中 水面 与油N / cm 32 ---------3 面齐 平实验八、能量方程（伯诺里方程）实验一、实验目的1、验证流体恒定总流的能量方程； 2、通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研讨，进一步掌握有压管流中动水力学的能量 转换特性； 3、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技能。49机电与能源实验中心能源与环境工程实验室二、实验装置本实验的装置如图 2．1 所示。本仪器测压管有两种： 1、毕托管测压管（表 2．1 中标＊的测压管） ，用以测读毕托管探头对准点的总水头 H ? (=Zu p v + )， 须注意一般情况下 H ? 与断面总水头 H( = Z + )不同 （因一般 u ? v ） ， ＋ ＋ ? 2g ? 2g它的水头线只能定性表示总水头变化趋势； 2、 普通测压管（表 2．1 中未标＊者） ，用以定量量测测压管水头。 实验流量用阀 13 调节，流量由体积时间法（量筒、秒表另备） 、重量时间法（电子称 另备）或电测法测量（以下实验类同） 。p22三、实验原理在实验管路中沿管内水流方向取 n 个过水断面。可以列出进口断面（1）至另一断面（i） 的能量方程式（i＝ 2，3，??，n）z1 ?p1??p a v2 a1v12 ? zi ? i ? i i ? hw1?i 2g ? 2g取 a1 ＝ a2 ＝?? an ＝1。选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出 z ?p?值，测出通过管路的流量， 即可计算出断面平均流速 v 及 头。av 2 ， 从而即可得到各断面测管水头和总水 2g50机电与能源实验中心能源与环境工程实验室四、实验方法与步骤1、熟悉实验设备，分清哪些测管是普通测压管，哪些是毕托管测压管，以及两者功能 的区别。 2、打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流，检查调节阀关闭后所有测压管水面是否 齐平。 如不平则需查明故障原因 （例连通管受阻、漏气或夹气泡等） 并加以排除，直至调平。 3、打开阀 13，观察思考 1）测压管水头线和总水头线的变化趋势；2）位置水头、压强 水头之间的相互关系；3）测点（2） 、 （3）测管水头同否?为什么？4）测点（12） 、 （13）测 管水头是否不同? 为什么？5）当流量增加或减少是测管水头如何变化？ 4、调节阀 13 开度，待流量稳定后，测记各测压管液面读数，同时测记实验流量（毕托 管供演示用，不必测记读数） 。 5、改变流量 2 次，重复上述测量。其中一次阀门开度大到使 19 号测管液面接近标尺零 点。五、实验成果及要求 1、记录有关常数均匀段 D1 = 1.42 cm 缩管段 D2 ＝1.00cm 扩管段 D3 ＝2.00cm水箱液面高程 ? 0 ＝45cm 表 2.1 管径记录表 测点编号 管径（cm） 两点间距 离(cm) 4 4 6 6 4 13.5 6 10 29 16 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19注：①测点 6、7 所在断面内径为 D2，测点 16、17 断面内径为 D 3，其余为 D1。②测点 2、3 为直管均匀流段同一断面上的两个测点，10、11 为弯管非均匀流同一断面上的两个 测点。2、量测 z ?p?并记入表 2.2。表 2.2 测记（ z ? 测 点 编号 实 验 次 序 1 2 3 2 3p?）数值表 4 5 7（基准面选在标尺的零点上） 9 10 11 13 15 17 19单位：cm Qcm3 / s51机电与能源实验中心能源与环境工程实验室3、计算流速水头和总水头。 4、绘制上述成果中最大流量下的总水头线 E-E 和测压管水头线 P-P(轴向尺寸参见图 2.2，总 水头线和测压管水头线可以绘在图 2.2 上)。 提示： 1.P-P 线依表 2.2 数据绘制，其中 10、11、13 数据不用； 2.E-E 线依表 2.3（2）数据绘制，其中测点 10、11 数据不用； 3.在等直径管段 E-E 与 P-P 线平行1 268 9 11 13103 4 5 712o14 1516 1718 19o图 2.2六、成果分析及讨论1、测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？ 2、流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？ 3、测点 2、3 和测点 10、11 的测压管读数分别说明了什么问题？ ☆4、试问避免喉管（测点 7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬高 或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。 5、毕托管所显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都略有差异，试分析其原因。表 2.3 计算数值表 （1） 流速水头 Q= ( cm / s ) 管径 d （cm） A ( cm )2 3Q=Q=cm3 / sVcm3 / sVcm / sv2 2g(cm)A ( cm )2cm / sv2 2g(cm)A ( cm )2Vcm / sv2 2g(cm)52机电与能源实验中心能源与环境工程实验室(2)总水头（ Z ?p??av 2 ） 2gQ测点编号 实验 次序 1 2 3( cm / s )3实验九、不可压缩流体恒定流动量定律实验一、实验目的1、验证不可压缩流体恒定流的动量方程； 2、通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研讨，进一步掌握 流体动力学的动量守恒定理； 3、了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，进一步启发与培养创造性思维的能力。53机电与能源实验中心能源与环境工程实验室二、实验装置本实验的装置如图 3.1 所示。456789103 2 1图 3.1 动量定律实验装置 1.自循环供水器 2.实验台 3.可控硅无级调速器 4.水位调节阀 水箱 8.带活塞的测压管 9.带活塞和翼片的抗冲平板 10.回水管5.恒压水箱6.管嘴7.集自循环供水装置 1 由离心式水泵和蓄水箱组合而成。 水泵的开启、 流量大小的调节均由 调速器 3 控制。水流经供水管供给恒压水箱 5，溢流水经回水管流回蓄水箱。流经管嘴 6 的 水流形成射流， 冲击带活塞和翼片的抗冲平板 9， 并以与入射角成 90°的方向离开抗冲平板。 抗冲平板在射流冲力和测压管 8 中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深 hc 可由测 压管 8 测得，由此可求得射流的冲力，即动量力 F。冲击后的弃水经集水箱 7 汇集后，再经 上回水管 10 流出，最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。 为了自动调节测压管内的水位，以使带活塞的平板受力平衡并减小摩擦阻力对活塞的 影响，本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术，其构造如下： 带活塞和翼片的抗冲平板 9 和带活塞套的测压管 8 如图 3.2 所示， 该图是活塞退出活塞 套时的分部件示意图。活塞中心设有一细导水管 ? ，进口端位于平板中心，出口端伸出活 塞头部，出口方向与轴向垂直。在平板上设有翼片 b，活塞套上设有窄槽 c。54机电与能源实验中心能源与环境工程实验室c b ayv2 fxQv1 v3pDv2x图 3.2图 3.3工作时，在射流冲击力作用下，水流经导水管 ? 向测压管内加水。当射流冲击力大于 测压管内水柱对活塞的压力时，活塞内移，窄槽 c 关小，水流外溢减少，使测压管内水位升 高，水压力增大。反之，活塞外移，窄槽开大，水流外溢增多，测管内水位降低，水压力减 小。在恒定射流冲击下，经短时段的自动调整，即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态。 这时活塞处在半进半出、窄槽部分开启的位置上，过 ? 流进测压管的水量和过 c 外溢的水 量相等。由于平板上设有翼片 b，在水流冲击下，平板带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿 轴向滑移时的静摩擦力。 为验证本装置的灵敏度，只要在实验中的恒定流受力平衡状态下，人为地增减测压管 中的液位高度，可发现即使改变量不足总液柱高度的±5?（约 0.5 ～1mm） ，活塞在旋转下 亦能有效地克服动摩擦力而做轴向位移，开大或减小窄槽 c，使过高的水位降低或过低的水 位提高，恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达 0.5?，亦即活塞轴向动摩擦 力不足总动量力的 5?。三、实验原理恒定总流动量方程为?? ?? ? ?? F ? ?Q(?2 v2 ? ?1 v1 )取脱离体如图 3.3 所示，因滑动摩擦阻力水平分力 f x ? 0.5%FX ,可忽略不计，故 x 方向的 动量方程化为Fx ? ? pc A ? ?rhc即 式中：??4D 2 ? ?Q(0 ? ?1v1x ) rhc D 2 ? 0?1? Qv1x ?4hc DDDDD作用在活塞形心处的水深；D -----------------活塞的直径； Q------------------射流流量；v1x DDDDDD射流的速度；?1 DDDDDD动量修正系数。55机电与能源实验中心能源与环境工程实验室实验中，在平衡状态下，只要测得流量 Q 和活塞形心水深 hc ，由给定的管嘴直径 d 和 活塞直径 D,代入上式，便可率定射流的动量修正系数 ?1 值，并验证动量定律。其中，测压管 的标尺零点已固定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数，即为作用在活塞园心处的水深。四、实验方法与步骤1.准备 熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能，记录有关常数。 2.开启水泵 打开调速器开关，水泵启动 2～3 分钟后，关闭 2～3 秒钟，以利用回水 排除离心式水泵内滞留的空气。 3.调整测压管位置 待恒压水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求 测压管垂直、螺丝对准十字中心，事活塞转动松快。然后旋转螺丝固定好。 4.测读水位 标尺的零点已固定再活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后，记 下测压管内液面的标尺读数，即 hc 值。 5.测量流量 用体积法或重量法测流量时，每次时间要求大于 20 秒，若用电测仪测 流量时，则须在仪器量程范围内。均需重复测三次再取均值。 6.改变水头重复实验 逐次打开不同高度上的溢水孔盖，改变管嘴的作用水头。调 节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，按 3－5 步骤重复进行实验。 7.验证 v2 x ? 0 对 Fx 的影响 取下平板活塞，使水流冲击到活塞套内，调整好位置，使反射水流的回射角度一致，记录回射角度的目估值、测压管作用水深 hc ' 和管嘴作用水头 H 。0五、实验成果及要求1.记录有关常数。 管嘴内经 d＝ cm，活塞直径 D= 2.设计实验参数记录、计算表，并填入实测数据。 3.取某一流量，绘出脱离体图，阐明分析计算的过程。 实验装置台号 No______ cm。六、实验分析与讨论1.实测 ? （平均动量修正系数）与公认值（ ? ＝1.02～1.05）符合与否？如不符合，试分析 原因。 2.带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿 x 方向的动 量方程有无影响？为什么？ 3.若通过细导水管的分流，其出流角度与 v2 相同，对以上受力分析有无影响？ 4.滑动摩擦力 f x 为什么可以忽略不计？试用实验来分析验证 f x 的大小， 记录观察结果。56机电与能源实验中心能源与环境工程实验室（提示：平衡时，向测压管内加入或取出 1mm 左右深的水量，观察活塞及液位的变化） 。 5. v2 x 若不为零，会对实验结果带来什么影响？试结合实验步骤 7 的结果予以说明。 流速 v测次体积 V时间 T管嘴作 用水头活塞作 用水头流量 Q动量力 F动量修 正系数H01 2 3hc?157机电与能源实验中心能源与环境工程实验室实验十、毕托管测速实验一、实验目的1. 通过对管嘴淹没出流点流速及点流速系数的测量，掌握用毕托管测量点流速的技 能； 2. 了解普朗特型毕托管的构造和适用性，并检验其量测精度，进一步明确传统流体力 学量测仪器的现实作用。二、实验装置本实验的装置如图 4.1 所示。4 5 6 7 8 9 10 11 122 131.自循环供水器 托管2.实验台图 4.1 毕托管实验装置图 3.可控硅无级调速器 4.水位调节阀 11.滑动测量尺5.恒压水箱 12.上回水管6. 管嘴7. 毕8.尾水箱与导轨9.测压管 10.测压计说明 经淹没管嘴 6。将高低水箱水位差的位能转换成动能，并用毕托管测出其点流速值。测 压计 10 的测压管 1、2 用以测量高、低水箱位置水头，测压管 3、4 用以测量毕托管的全压 水头和静压水头，水位调节阀 4 用以改变测点的流速大小。三、实验原理u ? c 2 g?h ? k ?h k ? c 2g式中 （4.1）u DDDD毕托管测点处的点流速；58机电与能源实验中心能源与环境工程实验室c DDD毕托管的校正系数； ?h DDD毕托管全压水头与静水压头差。u ? ? ' 2 g ?H联解上两式可得(4.2)? ' ? c ?h / ?H(4.3) 式中u ---------测点处流速，由毕托管测定；? ' ---------测点流速系数；?H --------管嘴的作用水头。四 、实验方法与步骤1.准备 （a）熟悉实验装置各部分名称、作用性能，搞清构造特征、实验原理。 （b） 用医塑管将上、下游水箱的测点分别与测压计中的测管 1、2 相连通。 （c）将毕托管对准管 嘴，距离管嘴出口处约 2～3cm，上紧固定螺丝。 2.开启水泵 顺时针打开调速器开关 3，将流量调节到最大。 3.排气 待上、下游溢流后，用吸气球（如医用洗耳球）放在测压管口部抽吸，排 除毕托管及各连通管中的气体，用静水匣罩住毕托管，可检查测压计液面是否齐平，液面不 齐平可能是空气没有排尽，必须重新排气。 4.测记各有关常数和实验参数，填入实验表格。 5.改变流速 操作调节阀 4 并相应调节调速器 3，使溢流量适中，共可获得三个不同 恒定水位与相应的不同流速。改变流速后，按上述方法重复测量。 6.完成下述实验项目： （1）分别沿垂向和沿流向改变测点的位置，观察管嘴淹没射流的流速分布； （2） 在有压管道测量中， 管道直径相对毕托管的直径在 6～10 倍以内时， 误差在 2～5％ 以上，不宜适用。试将毕托管头部伸入到管嘴中，予以验证。 7.实验结束时，按上述 3 的方法检查毕托管比压计是否齐平。五、实验成果及要求实验装置台号 No________ 表 4.1 实 验 次序 记录计算表 上、下游水位差（cm） 校正系数 c ＝ ，k ＝cm0.5 / s测点流速系数毕托管水头差（cm）测点流速h1h2?Hh3h4?hu ? k ?hcm / s? ' ? c ?h / ?H59机电与能源实验中心能源与环境工程实验室六、实验分析与讨论1、利用测压管测量点压强时，为什么要排气？怎样检验排净与否？ 2、毕托管的压头差 ?h 和管嘴上、下游水位差 ?H 之间的大小关系怎样？为什么？ 3、所测的流速系数 ? 说明了什么？'4、据激光测速仪检测，距孔口 2～3cm 轴心处，其点流速系数 ? 为 0.996，试问本实验的毕'托管精度如何？如何率定毕托管的校正系数 c ？ 5、普朗特毕托管的测速范围为 0.2～2 m / s ，流速过小过大都不宜采用，为什么？另，测速 时要求探头对正水流方向（轴向安装偏差不大于 10 度） ，试说明其原因（低流速可用倾斜压 差计） 。 6、为什么在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器？60
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