上课讲义--热工实验第五讲

1、材料黑度（材料黑度（传热传热）和气体在喷管中）和气体在喷管中流动性（流动性（流体流动流体流动）测定）测定Nanjing, China本科生教学课程本科生教学课程3-3 材料表面法向发射率（黑度） 的测定3.传热学实验传热学实验 当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，也发生吸收、反射和穿透现象。如图在外界投射到物体表也发生吸收、反射和穿透现象。如图在外界投射到物体表面上的总能量面上的总能量Q Q中，一部分被物体吸收，另一部分被物体反中，一部分被物体吸收，另一部分被物体反射，其余部分穿透过物体。按照能量守恒定律有：射，其余部分穿透过物体。按

2、照能量守恒定律有：11QQQQQQQQQQ热辐射物体的吸收率、反射率和穿透率热辐射物体的吸收率、反射率和穿透率 基本知识回顾基本知识回顾QAQQRQD 可以认为固体和液体不允许热辐射穿透，可以认为固体和液体不允许热辐射穿透， 辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射比气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射比 0 0，即即 。 黑体黑体 白体白体 透明体透明体111111基本知识回顾基本知识回顾 黑体：黑体：是指能吸收投入到是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的其面上的所有热辐射能的物体，是

3、一种科学假想的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。出近似的人工黑体。黑体概念：黑体概念：材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定黑体模型黑体模型基本知识回顾基本知识回顾我校毫米波国家重点实验室崔铁军教授我校毫米波国家重点实验室崔铁军教授 世界上第一个人造黑洞世界上第一个人造黑洞 成果在成果在Science发表发表隐身衣隐身衣2010年度中国年度中国科学十大进展科学十大进展基本知识回顾基本知识回顾法向发射率（黑度）法向发射率（黑度） ：相同温度下，实际物体：相同温度下，实际物体的半

4、球总辐射力与黑体半球总辐射力之比。的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比。基本知识回顾基本知识回顾 式中，式中，= 5.67= 5.671010-8-8 w/(m w/(m2 2 K K4 4) )， 是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。实际物体的辐射力实际物体的辐射力 ：上述也称为上述也称为4次方定律，是实际物体辐射换热计算的基础。次方定律，是实际物体辐射换热计算的基础。黑体辐黑体辐射系数射系数材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定一、目的意义一、目的意义 物体表面法向发射率与物体的性质、表面状况和温度等因物体表面法向发射率

5、与物体的性质、表面状况和温度等因素有关，是物体本身的固有特性，与外界环境情况无关素有关，是物体本身的固有特性，与外界环境情况无关。通。通常物体的法向发射率需实验测定常物体的法向发射率需实验测定 。通过本实验要做到：。通过本实验要做到：1. 加深对辐射换热基本理论的理解。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。学习热发射率（黑度）的测定方法和实验技术。材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定二、基本原理二、基本原理 利用在相同条件下，待测试样利用在相同条件下，待测试样表面和标准表面对一个与其共法线表面和标准表面对一个与其共法线的热辐射接

6、受器吸热面的不同热辐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射，测定它们的热辐射值并加以比较。故本实验方法称之为较。故本实验方法称之为法向热发法向热发射率（黑度）比较法射率（黑度）比较法。 图1 实验原理图材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定 如图所示的是由三个表面组成的一个如图所示的是由三个表面组成的一个封闭系统。图中封闭系统。图中12及及3分别表示分别表示待测表待测表面面水冷却套管的恒温内壁面水冷却套管的恒温内壁面及及接受器吸接受器吸热面热面。我们对。我们对2和和3进行处理使之近似为进行处理使之近似为黑体表面。考虑到吸热面黑体表面。考虑到吸热

7、面3远小于待测表远小于待测表面面1，可忽略待测面，可忽略待测面1的有效辐射热流中的有效辐射热流中由吸热面由吸热面3所给予的贡献。所给予的贡献。 图1 实验原理图材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定F1X1.2=F2X2,1Eb2F2X2,3材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定Eb2F2X2,3Eb2F2X2,3Eb2F2X2,3Eb2F2X2,3材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定Eb2F2X2,3F2X2,3F3X3,2X3,2材料表面法向发射率

8、（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定三、实验设备三、实验设备法法向向热热发发射射率率实实验验装装置置图图材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定三、实验设备三、实验设备法法向向热热发发射射率率实实验验装装置置图图材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定1. 待测试样装在有水套的样品盒上，样品盒内通以待测试样装在有水套的样品盒上，样品盒内通以恒温热恒

9、温热水水。为了使试样的温度均匀一致，样品盒与套管式水冷。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却管之间装有热绝缘块热绝缘块。为了使输出热电势增大，本实。为了使输出热电势增大，本实验装置使用验装置使用热电堆作为接收器的吸热面热电堆作为接收器的吸热面；2. 标准表面体（人工黑体表面）的加热水套与样品盒的加标准表面体（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；有相同的恒定温度；3. 在进行实验时，可将装有试样的样品盒和标准表面体轮在进行实验时，可将装有试样的样品盒和标准表面体

10、轮换地放置在热绝缘块上进行比较测试。换地放置在热绝缘块上进行比较测试。材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定四、实验步骤四、实验步骤2. 达到恒温达到恒温：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。1.准备工作准备工作：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。3. 实验测量实验测量：将装有试样的样品盒（或标准表面体）先放置在热绝缘垫块热绝缘垫块上，待实验装置热稳定后，连续三次测出

11、接收器热电堆的输出热电势1、23(间隔间隔5分钟分钟)。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。材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定5.实验测量实验测量：上面二组测量数据的平均值,为=(1+2+3)/3和st=(st.1+st.2+st.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：1=/st。 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。4.实验测量实验测量：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

12、势st.1st.2st.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。材料表面法向发射率（黑度）的测定材料表面法向发射率（黑度）的测定五、实验数据与实验报告五、实验数据与实验报告 将实测数据记录以下，并将计算结果填入表内。举例如下：第1次第2次第3次平均值样品盒热电势 标准表面热电势st待测试样表面黑度14-1 喷管试验气体在喷管中流动 性能的测定 4.流体流动的实验流体流动的实验喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定

13、crBvppv*1.音速：声波在连续介质中的传播速度音速：声波在连续介质中的传播速度(音速也是热力学状态音速也是热力学状态参数参数)，单位：，单位：m/s，符号：符号：a。ssvpvpa2，则：理想气体的定熵过程：vpkvpkRTkpva即音速是温度T的函数2.马赫数：工质流速和当地音速的比值：马赫数：工质流速和当地音速的比值：acM 超音速音速亚音速111MMM音速和马赫数音速和马赫数喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定u喷管的选型原则喷管的选型原则 由于气体在喷管中的流动工程中，参数变化为：压力降低，速度增加，因此可以根据临界压力比确定喷管的形状。2pbpc

14、rBvppv*crBvppv*假定气体在喷管内实现完全膨胀，即喷管出口压力 等于背压 ，喷管选型原则应为：选用缩放形喷管选用渐缩形喷管crcrcraaappppppMMM,1, 1, 1渐缩临界缩放喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定渐缩喷管1M1p2p渐放喷管1M1p2p1M1M1M缩放喷管(拉瓦尔喷管)1p2pcrp流速改变时，所要求的流动截面的变化流速改变时，所要求的流动截面的变化喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定一、实验目的与任务一、实验目的与任务喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定喷管试

15、验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定 图6 渐缩喷管 图7 缩放喷管 喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定二、实验装置二、实验装置吸气口进气管流量计真空罐背压表真空表手轮喷管调节阀调节阀连接软管U形管差压计实验装置构成部件用途：部件用途：1. 手轮？手轮？2. 背压表？背压表？3. 真空表？真空表？ 4. 真空罐？真空罐？5. 调节阀？调节阀？6. 真空泵？真空泵？7. 连接软管？连接软管？8. 孔板流量计？孔板流量计？喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定三、实验原理三、实验原理1.在稳定流动中，喷管任何

16、截面上质量流量都相等。且不随时间变化。流量大小可由下式决定：kkkppppvpkkfvufM112212112222)()(12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。喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定TpfvpfvpkkkfMk10404.0685.0)12(121min11min1112minmax111528. 0)12(ppkpkkc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

17、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）。 喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定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）。喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定渐缩喷管内的流动过程渐缩喷管内的流动过程p pBBp

18、 pcrcr: : 此时渐缩喷管中的气体不能完全此时渐缩喷管中的气体不能完全膨胀到背压膨胀到背压p pB B，其出口界面上压力仍等于，其出口界面上压力仍等于p pcrcr，气体在喷管口外发生自由膨胀，自，气体在喷管口外发生自由膨胀，自p pcrcr降至降至p pB B，如图，如图ACDACD线所示。线所示。喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定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

19、pc,当背压低于pc时气流在喷管外继续膨胀。喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定（2）图4所示当pbpd,管内膨胀不足，只能在管外继续膨胀。当pbpd，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。称pbpd为超设计工况，pbpd为亚设计工况。喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测定四、实验步骤四、实验步骤分别对渐缩喷管和缩放喷管进行如下操作：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p2pb。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p值。实验时注意记录下p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px曲线。5.停车。测量参数：测量参数：1.大气压、背压、截面压力；大气压、背压、截面压力； 2. 流量；流量； 3.温度；温度；4. 喷管尺寸喷管尺寸喷管试验喷管试验气体在喷管中流动性能的测定气体在喷管中流动性能的测