热工基础课程设计指导书

热工基础课程设计指导书

《热工基础》课程设计指导书

无机非金属材料工程201*（1）

一、课程设计的性质、目的

热工基础课程设计是在学生学完《无机材料热工基础》课程后，进行的一次实践性教学环节，是对学生在校期间进行的一次较全面的工程师能力训练。课程设计的目的是将本门课所学知识运用到实际生产工艺过程中，将理论知识与生产工艺结合起来，为毕业设计和将来走上工作岗位打下良好的基础。课程设计结束后学生要能够分析水泥工业以及陶瓷工业中的热平衡，并会计算热平衡。

二、课程设计基本要求

1．课程设计选题

硅酸盐工业中的热平衡计算大同小异，计算的过程基本相同，由于本课程设计的时间比较短，仅为一周，因此选择硅酸盐工业生产过程的热平衡计算作为课程设计的题目，热平衡计算涉及燃烧、传热、干燥以及流体力学的知识，能很好的把理论知识与工艺过程结合起来。2．课程设计调研

课程涉及之前，要求结合专业实践，了解并熟悉硅酸盐生产的工艺过程。硅酸盐的生产过程：（1）水泥生产的工艺过程：原料制备→预热→入回转窑烧成;(2)陶瓷生产的工艺过程：原料制备→成型→干燥→烧成（隧道窑）。窑炉是工业生产重要的热工设备，对它进行热平衡计算是工艺生产的基本计算。3．课程设计的方案制定

本次设计选择硅酸盐生产过程的一部分作为热平衡计算的对象，要求针对选择的窑炉或干燥设备部位进行热平衡分析，确定其热收入项和热支出项，进行热平衡计算，编制热平衡表，分析热量的来源与去向。

三、课程设计报告书

1．内容

（1）设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。（2）热平衡分析：包括热收入项与热支出项，每一项的具体计算参看《硅酸盐工业热工基础》；

（3）燃料燃烧计算：包括空气量的计算，废气量及废气组成的计算；（4）编制热平衡表分析热量的分配；（5）工艺流程简图：以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物料量以及热流量。

（6）主体设备结构简图，并标出主要尺寸。2.格式

完整的课程设计报告由说明书和图纸两部分组成。设计说明书中应包括所有论述、原始数据、计算、表格等，编排顺序如下：（1）标题页；（2）设计任务书；（3）目录；（4）主要内容

①前言：确定分析计算的对象，阐述热平衡分析的意义，简述设计方案：工艺流程草

图及说明；

②热平衡分析计算的原始数据汇总表；；③单项计算：物料平衡与热量平衡各项；④设计结果概要或设计一览表；⑤对计算书的几点说明；

⑥对本设计的评述：热平衡的综合分析与改进技术措施的意见；⑦附图（工艺流程简图、主体设备工艺条件图）：用手工绘图；⑧参考文献：参考文献著录格式：

（1）专著：

指以单行本或多卷册形式在限定期限内出版的非连续出版物，包括图书、古籍、学位论文、技术报告、会议文集、汇编、多卷书、丛书等。其著录格式为：

[序号]主要责任者.题名：其他题名信息[文献类型标志（电子文献必备，其他文献任选）].其他责任者（任选）.版本项.出版地：出版社，出版年：引文页码[引用日期（联机文献必备，其他电子文献任选）].获取和访问路径(联机文献必备).（后面几种文献著录格式中，圆括号中的说明与此相同）[1]赵耀东.新时代的工业工程师[M/OL].台北:天下文化出版社,1998[1998-09-26].注意:作者项不标明编著方式,多个作者之间用“,”表示；

题名项若要标明卷册，表示法为：“邓小平文选：第3卷[M]”；

地址项出版地是指出版单位所在城市；

（2）专著中的析出文献：若引用某人著作，而此著作又在一个论文集或选集之中，此时参考文献属析出文献类。专著中的析出文献应标明起止页码。标识方法如下：[序号]析出文献主要责任者.析出文献题名[文献类型标志].析出其他责任者//专著主要责任者.专著题名.出版地：出版社，出版年：析出页码[引用日期].获取和访问路径.[2]白书农.植物开花研究[M]//李承森.植物科学进展.北京：高等教育出版社，1998：146－163.

（3）连续出版物（期刊、报纸）中的析出文献：

[序号]析出文献主要责任者.析出文献题名[文献类型标志].连续出版物题名：其他题名信息，年，卷（期）：页码[引用日期].获取和访问路径.[3]张旭，张通和，易钟珍，等.采用磁过滤MEVVA源制备类金刚石膜的研究[J].北京师范大学学报：自然科学版，201*，38（4）：478－481.[4]傅刚.大风沙过后的思考[N/OL].北京青年报，201*－04－12（14）[201*-03-06].%5ED0412B1401.htm.（4）专利文献：

[序号]专利申请者或所有者.专利题名：专利国别，专利号[文献类型标志].公告日期或公开日期[引用日期].获取和访问路径.

[5]西安电子科技大学.光折变自适应光外差探测方法：中国，01128777.2[P/OL].201*-03-06[201*-05-28].

-yx-new.asp?recid=01128777.2&leixin=0.（5）电子文献：

凡属电子图书和电子图书、电子报刊等中的析出文献的著录格式分别参照（1）－（4）中的有关规则处理。除此而外的电子文献的著录格式如下：

[序号]主要责任者.题名：其他题名信息[文献类型标志/文献载体标志].出版地：出版社，出版年（更新或修改日期）[引用日期].获取和访问路径.

[6]萧钰.出版业信息化迈入快车道[EB/OL].(201*-12-19)[201*-04-15].

四、学生分组情况

总人数45人，共分九组，每组5人，名单如下：第一组组长：王和

成员：冯晓光，康辉，傅林炳，王权丰

第二组

组长：李根

成员：杨志宜，刘超，陈超，程天相第三组

组长：李锐

成员：邹庆，陈吉祥，汪洋，邓成杰

第四组

组长：涂奔

成员：张兵，李文龙，龚玺，何琪

第五组

组长：张鑫

成员：尤峰，皮健，华建朝，吴亮第六组

组长：童维祥

成员：杨开，董赛，童凯，梅文第七组

组长：徐红运

成员：汪琼，汪聪，朱凯棣，杨剑

第八组

组长：刘成龙成员：涂晓峰，王凡，高光斌，鲁为

第九组组长：陈英

成员：柳康，彭帅，贺凯文，姚亚平

扩展阅读：《热工基础实验指导书》

热工基础实验指导书

Instructor

ThermodynamicsandHeattransferBasicExperiment

(BelongtoPyrologyStaffRoom)

HefeiUniversityofTechnology

201*.1

（工程热力学实验）实验一气体定压比热容测定实验

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

由工程热力学所知，气体定压比热容的定义式为：

C0(h)p（1）T在没有对外界作功的气体定压流动过程中，dhdQpM，此时气体的定压比热容可表示为：

Cp1Q()p（2）MT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：

Ct2pmt1QpM(t2t1)（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。

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：

Ct2pmt121ttABtdtAB12ABtm（5）

t2t12这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度tm=(t1+t2)/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tmi下测出其定压比热容Cpmi，然后根据最小二乘法原理。确定A、B：tAmi2CpmitmiCpmitmi(tmi)nt2mi22ntmi2mi（6）

tCB(t)mimintmiCpmi（7）

从而便可得到比热容的实验关系式。三、实验设备

1、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。

2、该比热容仪可测量300℃以下气体的定压比热容四、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ta和湿球温度tw。

3、将温度计入回原位，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=12Δt/τ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，℃；τ为每流过10升空气所需要的时间，S）。

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τ（S）；（2）比热容仪进口温度t1与出口温度t2（℃）；

（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ta和湿球温度tw，在干湿球温度计上读出空气的相对湿度Ф，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rw

rwd/622

1d/6222、电加热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算。3、干空气流量为：

MRPRVRgTakg/s

(1rw)(Bh/13.6)133.320.01/287(ta273.15)4.645103(1rw)(Bh/13.6)(ta273.15)4、水蒸汽流量为：

MwPwVRwTakg/s

(1rw)(Bh/13.6)133.320.01/461.5(ta273.15)2.889103(Bh/13.6)(ta273.15)5、水蒸汽吸热量为：

QwMw(1.8440.0004886t)dt1222kJ/s21

Mw[1.884(t2t1)0.0002443(tt)]6、干空气吸热量为：

QpQQw

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、报告中要有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Cpm——tm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聚升或聚降而损坏。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。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Cp和定容比热压Cv，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AB为绝热膨胀过程，BC为定容加热过程。因为AB为绝热过程，所以:

ACB

KPAVAPBVVK（1）

BC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：

（PAVA）k=（PCVC）k（3）比较（1）、（3）两式，可得：

PAKPCKPAPBPAP(A)kPBPC将上式两边取对数，可得：

kIn(PA/PB)（4）

In(PA/PC)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形管差压测得状态A的表压hA(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），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）。若忽视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。

研究对象绝热膨胀定容加热PCVCTCPBVBTBPAVATA状态A状态B状态C

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、等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。

33

设U型管差压计的封液（水）的重度为r=9.81×10（N/m），实验时大气压力则为Pa3

≈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：

PahAhIn(1A)PaPa（5）kPahAhAhcInIn(1)PahcPahcIn实验中由于刚性容器的限制，一般取hA≈200(mmH2O)，且hc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：

QAdtdt(11)4r2drdr移项后为

dtQdr4r2

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Q2(tw1tw2)（12）

11d1d2式中：d1、d2单位为m

tw1、tw2单位为℃Q的单位为wλ的单位为w/m.℃

11)d1d2由上式得（13）

2(tw1tw2)Q(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=160×10m，小球直径d1=80×10m。测出这些数据后就可根据（1－3）式算出导热系数值。

把d1、d2数值代入（1－3）式整理后可得λ的简单算式：

0.9952Q（14）

tw1tw2-3

-3

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α的测定根据牛顿冷却公式:QA(twtf)

Q(4-1)

A(twtf)式中α——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；A＝πDL，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

tw,——管外壁温度，℃

tf,——空气温度，℃

实验中只要测出电加热器功率及管外壁温度tw及空气温度tf即可按（4－1）式算出空气槽掠单管时的平均对流换热系数α。

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

Nuf1(Re,Pr)(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（4－2）中的Pr可视为一个常数，这样（4－2）式变为

Nuf2(Re)(4-3)

经验表明（4－3）式可以写成指数形式，即

NuCRen(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（4－4）式两边取对数，得

lnNulnCnlnRe(4-5)

（4－5）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

uD，可算出一v为常数，同时得到一个α值（α按前述方法测定）Re空气运动黏度v个Nu值NuD，空气导热系数λ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lnNu－lnRe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E(tf,0)值，而由电位差计可测得热电势E(tw,tf)值，E(tw,0)值按下式算出：

E(tw,0)E(tw,tf)E(tf,0)

最后根据E(tw,0)值查热电偶分度表得到tw值。（因为试件很薄，仅0.2～0.3mm，且内壁绝热，故查出的温度值就是单管外壁温度tw）

横掠单管的空气流速由毕托管和倾斜倾压计测出。

p1

L≈3d毕托静压管δd3（810）dpp02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4－2），有

2p0u0pu2Z0Z

g2gg2g由于z0=Z，u0=0，故有

p0ppu2p12u2（式中为空气密度）

Δp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h=0.2H。

压差（为水的密度）。这样空气流速计算式变为u2gh/1000

取水的密度=1000kg/m3，则上式最后变为

2ghu(4-6)

式中h,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4－7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（4－5）式中lnNuy,lnRex,lnCb,（4－5）式变为

ynXb(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=1~N)

设每一次实验得到的yi值与按ynxib算出的y值之差为i.(iyiy)

iyiyyinxib

i2(yinxib)Ni20,在

i1i2i1Nnb0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

NNN2nXibXiXiYii1i1i1(4-8)NNnXiNbyii1i1N因此只要算出Xi2i1,Xi,XiYi,yi,四个值，并代入（4－8）式就可解出n、b

i1i1i1NNN值，然后由blnC求出C值，这样就求出了准则方程的具体形式。

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=4~40C=0.821n=0.385Re=40~4000C=0.615n=0.466Re=4000~40000C=0.174n=0.618Re=40000~250000C=0.0239n=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FdA1A2。

二、图解法求角系数原理

角系数FdA1A2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dQb,dA1A2,则有

FdA1A2dQb,dA1A2dA1Eb1（1）

根据定向辐射强度定义，dQb,dA1A2可表示为

dQb,dA1A2Ib1Cos1dA1d1(2)

式中：Ib1dA1的定向辐射强度，Ib1Eb1

d1A2上的微元面积dA2对dA1所张的立体角

dA1Cos1dA2上所看到的发射面积(可见发射面积)

1dA1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

dAdAs对dA1所张的立体角也是d1，于是d1，可用球面上的dAs来计算，结果是d12s,R代入(2)式得

dQb,dA1A2Eb1Cos1dA1dASR2Eb1Cos1dA1dASR2（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

Cos1dA1dASCos1dAsEdAdQb,dA1A2Eb1（4）b1122dsAsRR(4)式中Cos1dAs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

dQb,dA1A2Eb1dA1dAspAspR2Eb1dA1AspR2（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FdA1A2AspR2（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FdA1A2时，只要以dA1

为球心作一个半径为R的半球面，再从dA1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FdA1A2。

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

FdA1A2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2SM-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。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3SM-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），然后手握平衡块使立柱旋转360，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FdA1A2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FdA1A2，并与测量的角系数值进行比较。

AspR2FdA1A211(tg12yyxy22tg11xy22)

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，以免弄脏记录纸。

图4实验操作时仪器放置构图

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