冶金传输原理实验指导书

1、课程编号：03010388课程名称：冶金传输原理冶金传输原理实验指导书（流体力学）Hefei University of Technology2011.8实验一静压实验Experiment 1 Static Pressure Experiment一、实验目的1、通过实验理解流体静力学基本方程式的能量意义和几可意义。2、验证容器中流体内任意两点1和2的测压管水头相等，即有+。3、测量液体的密度（本实验为测量酒精密度）二、实验原理1、重力作用下处于静止状态的连续均质不可压缩流体的基本方程式为：该式的能量意义是：流体中各点处单位重量流体所具有的总势能，即位置势能Z和压力势能()之和均相等。该式的几何

2、意义是：流体中各点的测压管水头，即位置高度Z和测压管高度() 之和均相等。根据上述流体静力学基本方程式，对本实验的液体（水）中1、2两点有：+2、根据流体静力学基本方程式，可得有自由液面的静止的不可压缩流体中压强的基本公式为（推导过程见教材）：P=PO+g h式中：P液体内任一点的静压力，单位为N/m2(Pa)；PO容器内液体自由表面的静压力，单位为N/m2(Pa)；液体的密度，单位为kg/m3；h液体内的点到液面的距离，单位为m；g重力加速度m/s2。由此式可求出液体内任意点处的静压力。3、本实验中还要用到连通器原理，即同一种相连通的流体在同高度上压强相等。三、实验设备静压实验器结构如下图所

3、示：四、实验步骤1、熟悉实验设备，明确每根玻璃管的用途；熟悉实验方法；熟悉气压计的结构原理和使用方法。2、打开气阀，待各玻璃管内液面稳定后，关闭气阀。3、调节侧面小量筒高度，容器内液面上升或下降，压力P0大于大气压力Pa或小于大气压力Pa，利用滑动标尺记录各测压管的液面高度，并记录表1（）表2（）的数值。4、结束实验，打开气阀。五、思考题1、测压管“B”、“C”中的液面是否在任何情况下都在同一高度上，两者的液面连线叫什么？实验二不可压缩流体定常流能量方程（伯努利方程）实验Experiment 2 Incompressible Fluid Steady State Flow Energy Equ

4、ation Experiment一、实验目的1、掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验量测技术；2、验证流体定常流的能量方程。3、测定管道沿程损失水头hf及沿程阻力系数，并了解随雷诺数Re的变化规律。4、测定局部损失水头hj和局部损失系数。二、实验装置:四、实验原理在实验管路中沿水流方向取n个过水截面，可以列出进口截面（1）至截面（i）的能量方程式（i=2,3,n）选好基准面，从已设置的各截面的测压管中读出值，测出通过管路的流量，即可计算出截面平均流速v及动压，从而可得到各截面测管水头和总水头。1、沿程损失水头hf和沿程阻力系数的测定V2211h2Z2ZZ1Vh1Z2Z12211对实验装

5、置选做材料管上的直管段两测点1、2截面，（见图一）应用实际流体的伯诺里方程，有： 由于v1=v2，故1、2截面间沿程损失水头hf为：h1 1、2两测点上两根测压管的液面差。1、2两测点间沿程损失水头hf测出后，可根据达西公式算出直管段沿程阻力系数： 达西公式中v为管道中流体流速， （Q为流量，单位m3/s；A为管1的截面积，单位：m2；流速的单位为m/s）。为测出与Re的关系，实验中可用流量调节阀调节流过管道中的流速，以改变雷诺数，从而测出不同Re下的值，整理出“Re”关系曲线。2、局部损失水hj和局部阻力系数的测定（以90º弯头为例）对实验装置选做材料管上的1、2测点截面（见图二）

6、应用实际流体的伯诺里方程，有：由于v1=v2，故有可以证明（证明方法略）hj=h2h2为连接1、2测点差压计左右两根测压管的液面差。hj测出后，根据实验得出的与hj的关系式，即就可算出局部阻力系数（式中v为弯头中流体流速）四、实验方法与步骤1、熟悉实验设备，分清各测压管与各测压点，毕托管测点的对应关系。2、打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流后，检查流量调节阀关闭时所有测压管水面是否齐平，若不平则进行排气调平（开关几次）。3、打流量调节阀，观察测压管水头线和总水头线的变化趋势及位置水头、压强水头之间的相互关系，观察当流量增加或减少时测压管水头的变化情况。4、调节流量调节阀开度，待流量稳定后，测

7、记各测压管液面读数，同时用体积法测记实验流量（与毕托管相连通的是演示用，不必测记读数）。5、再调节流量调节阀开度12次，其中一次阀门开度大到使液面降到标尺最低点为限，按第4步重复测量。实验三 恒定总流的动量矩实验确定确定动量方程 流体与边界之间作用力大小；动量矩方程 流体与边界之间作用力位置；设为某参考点至流体速度矢量的作用点的矢径，则用矢量对动量方程两端进行矢性积运算，可得定常流动的动量矩方程为：=-等式左端项是控制体上合外力对于坐标原点的合力矩。等式右端项是通过控制体面流出与流入的流体动量矩之差，或通过控制体面的净动量矩。现以定转速的离心式水泵或风机为例来推导叶轮中的定常流动的动量矩方程。

8、如图所示，取叶轮出、入口的园柱面与叶轮侧壁之间的整个叶轮流动区域为控制体。图：叶轮的速度三角形假定叶轮叶片无限多，每个叶片的厚度均为无限薄，则流体在叶片间的相对速度必沿叶片型线方向。于是将动量矩方程式用于叶轮机时，需用绝对速度代替上式中质点速度。由于定常运动，故叶轮机中的定常流动的动量矩方程：=由图所示的速度三角形可以看出：因而上式可以写成：因为叶轮的角速度为：故叶轮机的功率：或这就是泵与风机的基本方程式。它首先由欧拉在1754年得到，故又称欧拉方程。对于涡轮机械（如水轮机等），流体从叶轮外缘2流入内缘1，基本方程为：无论是泵类机械（工作机械）还是涡轮类机械（动力机械），均满足欧拉方程，不同的

9、是离心泵是工作机械。它把原动机的机械能通过叶轮传递给流体介质，故M > 0，即轴矩方向与叶轮旋转角速度方向相同；而涡轮机是动力机械，它从流体介质中汲取能量，通过转轴将机械能传输出去，故M < 0，即轴矩方向与叶轮旋转角速度方向相反。注意：对于泵类机械，称为泵产生的扬程； 对于涡轮类机械，称为作用在涡轮上的水头。例题：旋转式洒水器由三个均匀分布在水平平面上的旋转喷嘴组成；总出水量为，喷嘴出口截面积为，旋臂长为，喷嘴出流速度方向与旋臂的夹角为。（1） 不计一切摩擦，试求旋臂的旋转角速度；（2） 如果使已经具有角速度的旋臂停止，需施加多大的外力矩？解：每个喷嘴的出口为。这一速度的切向分量

10、也就是旋臂的切向圆周速度，故 将 代入，则由动量矩方程 可知，现在入口处速度与切线方向的夹角。出口处速度与切线方向的夹角，于是 ，又 所以 力矩 以代入，则 课程编号：03402720课程名称：冶金传输原理冶金传输原理实验指导书（传热学）Hefei University of Technology2011.8实验一 粉末或散装绝热材料导热系数测定实验一、实验目的1、学习圆球法测定粉末或散装材料导热系数的实验方法；2、测定试验材料(膨胀珍珠岩或空心微珠的粉末)在试验温度下的导热系数；3、熟悉热电偶测温、直流电位差计测热电势的原理和方法。二、实验原理实验时将粉末或散装试验材料均匀地填满在圆球导热仪

11、的大球和小球之间。小球内芯装有电加热器，电加热器放出的热量传给小球，然后通过试验材料传向大球，再由大球传给空气。实验中可保证大、小球壁的温度均匀一致，因此在经过一段时间加热后，自小球向大球的传热可视为球坐标系（三个坐标方向为：半径r方向，球的经度方向及球的纬度方向）中的沿半径方向的一维稳态导热。导热量可由傅立叶定律算出： (11)移项后为从小球到大球积分（小球半径为r1，直径为d1，壁温为tw1；大球半径为r2，直径为d2，壁温为tw2）有 （12）式中：d1、d2单位为mtw1、tw2单位为Q的单位为w的单位为w/m.由上式得 （13）实验中测出电加热器的功率或测出电加热器的电压V（伏特）和

12、电流1（安培）就可得到传热量Q；大、小球的壁面温度tw1、tw2可由埋在大、小球壁面上的各三对铜-康铜热电偶测出；大球直径d2=160×10-3m，小球直径d1=80×10-3m。测出这些数据后就可根据（13）式算出导热系数值。把d1、d2数值代入（13）式整理后可得的简单算式： （14）三、实验装置实验装置由圆球导热仪、试验材料、电加热器、热电偶及冰瓶、多点切换开关、电位差计、功率表或电压表与电流表、交流稳压电源、自偶变压器、整流器等组成。圆球导热仪由大、小两个空心的球壁组成，小球同心地装在大球内，试验材料填满在大小球壁之间。大球内壁和小球外壁上埋设的三对热电偶的冷端接冰

13、瓶，热端和多点切换开关相连接，以便通过电位差计测出六个热电势（大球壁三个、小球壁三个），然后查热电偶分度表得到大、小球壁面的平均温度。小球壁内的电加热器由交流稳压电源、自偶变压器、整流器供电，功率由电压表与电流表测出或由功率直接读出。电加热器的输入功率大小可由自偶变压器调节，以改变大、小球壁的温度。四、实验步骤1、熟悉实验装置图，并了解各部分的作用，然后接上测量仪表和全部线路，经指导教师检查后，接通电源，并调整电加热器的输入功率为指定值（该值由指导教师临时告知）。2、加热若干时间后，当内、外壁温度不再改变时（可由热电偶的热电势不变示出）导热仪中导热已进入稳态，可以正式测量与记录数据。3、顺序掀

14、按琴键式切换开关，通过电位差计分别读出六个热电势（小球为1、2、3，大球为4、5、6），在实验报告上记录下这六个热电势值，并记录实验中功率表读数或电流与电压表读数。4、切断电源，结束实验。实验二 空气横掠单管时平均对流换热系数及准则方程式测定实验一、实验目的1、学习测定空气槽掠单管时平均换热系数的方法；2、测定空气槽掠单管时的准则方程式；3、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法。二、实验原理1、空气槽掠单管的平均对流换热系数的测定根据牛顿冷却公式: (4-1)式中单管沿周平均对流换热系数w/ m2。Q单管与空气间的对流换热量，它等于装在管子上的电加热器的功率，单位为WA单管的外表面积，m2；ADL

15、，D为管子外径（单位为m，可选不同D的管子实验），L为加热部分的管长，L=0.1m,管外壁温度，,空气温度，实验中只要测出电加热器功率及管外壁温度及空气温度即可按（41）式算出空气槽掠单管时的平均对流换热系数。2、空气横掠单管时准则方程式测定根据传热学教科书，强迫对流换热准则方程的一般形式为 (4-2)对本实验来讲，流体为空气，实验中空气温度变化不大，因此（42）中的Pr可视为一个常数，这样（42）式变为 (4-3)经验表明（43）式可以写成指数形式，即 (4-4)实验中只要测出常数C及指数n，就得到了空气槽掠单管的准则方程具体形式。C、n的测定方法是：对（44）式两边取对数，得 (4-5)（

16、45）式在lnNu-lnRe的坐标图上是一条直线。该直线的斜率即为n值，截距即为lnC值，从而得以C、n值。具体做法是：实验中改变单管外径D值或改变空气流速u值，每改变一次得到一个雷诺数，同时得到一个值（按前述方法测定），可算出一个Nu值，空气导热系数值实验中为常数）。这样每改变一次D值或v值，就得到一组（Re、Nu），把它描在lnNulnRe图上就得到一个点，改变若干次就在图上得到若干点，连接这些点得到一条直线，然后求出这条直线的斜率和截距就得到n、C值。C、n值的具体计算可有多种方法，本实验要求用最小二乘方法确定。三、实验装置空气横掠单管对流换热实验装置实验时，在风机的抽吸下，室内空气经进

17、风口（可调节进风口面积以改变空气流速），风机、风箱、有机玻璃风道流向室内，单管试件就安装在有机玻璃风道内，这样就造成了空气槽掠单管的流动。试件为一薄壁不锈钢圆管。试件上有电加热器对试件低电压大电流（直流）加热，此热量被横掠试件的空气带走。加热段ab长度为L=0.1m，试件外径D对每组实验来讲是固定不变的，但空气流速可以通过进风口进风截面大小来调节。试件的低压大电流由奎直流电源供缎带。加热功率在不同风速下是相同的。为确定试件壁温tw，在试件中埋有铜康铜热电偶的测量端（热端），热电偶的冷端就置于空气流中。由空气流的温度（就等于室温）可从热电偶分度表中查得值，而由电位差计可测得热电势值，值按下式算出

18、：最后根据值查热电偶分度表得到值。（因为试件很薄，仅0.20.3mm，且内壁绝热，故查出的温度值就是单管外壁温度）横掠单管的空气流速由毕托管和倾斜倾压计测出。（810）dL3d毕托静压管ppd23p1对毕托管的全压孔1中驻点（图中2点，参数用下角标“0”表示）和静压孔（图中3点）列伯努利方程（见图42），有由于=Z，=0，故有 （式中为空气密度）p由倾斜微压计读出。测量中读出的是倾斜微压计的倾斜管液柱长H（mm）。考虑到斜管的倾斜角以及将液柱密度（倾斜微压计中液体是煤油）折合成水柱密度等因素，读出的H值应当乘以斜压计的倍率。本实验中斜压计倍率为0.2，故实际压差高度为=0.2H。压差（为水的密

19、度）。这样空气流速计算式变为取水的密度=1000，则上式最后变为 (4-6)式中,为mmH2O. 为空气密度（由空气温度查表）为了使一台电位差计能测出试件工作电压、工作电流及热电偶热电势，实验装置中设置了转换开关。四、实验步骤1、阅读实验指导书，熟悉本实验的实验装置与测试仪表。2、将单管试件安装在风道中（每实验小组单管直径不变，Re的改变通过改变进风口的流通面积大小实验，实验中进风口面积改变五次，也即可调五个空气流速）。3、启动风机（即接通电源），将风机进风口面积调节至适当大小，待工况稳定后进行测量。4、用电位差计（通过转换开关）测出试件的电压降（读数为mV）。5、用电位差计（通过转换开关）测

20、出试件的工作电流（读数为mV）。6、用电位差计（通过转换开关）测出试件表面热电偶的热电势单位7、读出倾斜微压计的斜管液面长度H（mm）。8、调节进风口进风面积，调好后重复47的操作步骤。9、实验结束，关闭电源。五、最小二乘方法求C、n为书写方便起见，令（45）式中,（45）式变为 (4-7)实验得到N组（Re、Nu）就有N组（y、x）。将每一组y、x记为yi, xi (i=1N)设每一次实验得到的yi值与按算出的y值之差为在时求出的n、b值可使误差最小。由上面二个偏导数等于零可得到 (4-8)因此只要算出,四个值，并代入（48）式就可解出n、b值，然后由求出C值，这样就求出了准则方程的具体形式

21、。说明：1）由于每个实验小组只测出五组（Re、Nu）数据，实验数据的组数不够，因此必需把本班另一实验小组的五组数据取来，然后由最小二乘方法求出C、n值。2）C、n值的参考数值为：Re=440 C=0.821 n=0.385Re=404000 C=0.615 n=0.466Re=400040000 C=0.174 n=0.618Re=40000250000 C=0.0239 n=0.805实验三 微元表面dA1到有限表面A2的角系数测量实验一、实验目的 1、加深对角系数物理意义的理解，学习图解法求角系数的原理和方法； 2、掌握角系数测量仪(即机械式积分仪)的原理和使用方法； 3、用角系数测量仪测

22、定微元表面dA1(水平放置)到有限表面A2(A2为矩形、垂直放置)的角系数。二、图解法求角系数原理角系数是dA1发射的辐射能落到A2上的能量的份额。设dA1为黑体，则dA1发射的辐射能为dQb=dA1Eb1（Eb1为dA1的辐射力）；若落到A2上的根据定向辐射强度定义，则有 （1）根据定向辐射强度定义，可表示为 (2)式中：Ib1dA1的定向辐射强度，A2上的微元面积dA2对dA1所张的立体角dA1CosdA2上所看到的发射面积(可见发射面积)dA1与dA2的连线与dA1的法线间夹角(2)式中有关符号的意义见图1。图解法求角系数的具体方法是：以dA1为球心，作一个半径为R的半球面(见图1)，再

23、从dA1中心向dA2的周线上各点引直线，这些直线与球面的交点形成的面积记为dAs，显然dAs对dA1所张的立体角也是，于是，可用球面上的dAs来计算，结果是代入(2)式得 （3）图1 角系数FdA1-A2图解原理从dA1中心到A2的周线上各点作直线，这些直线在球面上截出的面积记为As，则有 （4） (4)式中CosdAs正好是球面上的面积dAs在水平面上投影面积dAsp，于是(4)式可改为 （5）式中：Asp为球面上面积As在水平面上投影面积。把(5)式代入(1)式可得 （6）(6)式便是图解法求角系数的原理式。根据(6)式，图解法求角系数时，只要以dA1为球心作一个半径为R的半球面，再从dA

24、1中心向A2周线上各点引直线，各直线在球面上截出的面积为As，最后将As投影到半球底面上得投影面积Asp，测量出Asp大小，就可按(6)式求出角系数。 上述推导中曾假定dA1为黑体，实际上在一定的假定条件下（6）式对灰体也成立。三、角系数测量仪结构和测角系数的原理及方法 角系数测量仪是根据图解法原理测微元表面到有限表面角系数的机械式积分仪。本实验中用的是SM1型机械式积分仪，它的基本结构见图2。主要有立柱、滑杆、平行连杆、镜筒、记录笔、平衡块、镜筒上的瞄准镜、底座、方位角旋钮、高变角旋钮等组成。图2 SM-1型角系数测量仪结构图 图3为SM-1角系数测量仪示意图。立杆1垂直于水平面MN于B点。

25、立杆可绕其轴线旋转，以带动滑杆2旋转。滑杆2通过两根长度皆为R的平行连杆a、b保持与MN垂直。连杆a即是测量仪的镜筒，A点为假想的球心(dA1)。滑杆2的下部为记录笔3。当镜筒上的C点对准A2周线扫瞄时，滑杆2可以旋转和上、下移动(对A2的水平周线部分扫瞄时，滑杆转动；对A2的垂直周线部分扫瞄时，滑杆上、下移动，这时山立杆、滑杆、连杆a、b组成的四边形发尘变形，从而使记录笔沿半径方向移动。)图3 SM-1角系数测量仪示意图 测量时仪器放置见图4。瞄准镜是dA1，A2为垂直放置的a×b的矩形面积。在测量仪底座下放一张大白纸(或方格纸)，手握平衡块使镜筒放到水平位置（即将连杆放到最低位置

26、），然后手握平衡块使立柱旋转，这时记录笔在白纸上黑出一个半径为R的圆。再手握平衡块，通过瞄准镜瞄准A2的周线扫瞄一周(瞄准时瞄准镜圆孔中心、十字中心与A2周线上的点要连成一线)，这时记录笔在白纸上画出的面积就是Asp，测量出Asp和圆的面积，两者之比就是角系数FdA1-A2(对A2周线扫瞄时，也可通过调整方位角和高度角进行)。四、实验步骤 1、将测量仪盖板卸下，并水平地放在桌面上，放置时要把有定位铜圈的一面朝上。在盖板上贴上白纸，注意在盖板的定位铜圈处白纸要开一小孔以使定位铜圈露出。 2、将测量仪放在盖板上，这时要使测量仪底坐上的孔对准盖板上的定位铜圈。 3、将仪器箱体靠盖板垂直放置(注意盖板

27、上的箭头与箱体上箭头对准)。这时箱体上的a×b的矩形就是A2。 4、将镜筒放到水平位置(即连杆放到最低位置)，锁紧连杆，放下记录笔，旋转立杆(通过平衡块来旋转)，使记录笔在白纸上画出半径为R的圆。 5、将记录笔抬起，放松锁紧旋钮，调整方位角和高低角，瞄准A2的周线进行扫瞄操作练习(扫瞄练习也可不通过调整方位角，高低角进行，而是直接手握平衡块进行)，练习到描瞄动作熟练、准确时方可正式测定。 6、放下记录笔，细心地扫描A2的周线一圈，记录笔这时在白纸上画出的面积即是Asp。 7、用求积仪测出Asp面积大小，并测量白纸上圆的半径R的尺寸，然后按系数。注意，对同一个A2一般要测量若干次，以求得平均角系数。8、测量A2的尺寸a、b及图4中的尺寸C，按下列理论公式计算出角系数，并与测量的角系数值进行比较。五、注意事项 1、锁紧旋钮通常应处于放松状态，当锁紧旋钮处于锁紧状态时，不得改变仪器的高度角，否则将损坏齿轮。2、每次描瞄结束时应立即抬起记录笔，以免弄脏