热工实验原理和技术讲稿.pptx

会计学1热工实验原理和技术讲稿热工实验原理和技术讲稿课程按排课程按排n n1-61-6周课堂讲授周课堂讲授1212学时学时n n7-157-15周实验室做实验周实验室做实验n n1616周考试周考试n n每个人做每个人做6 6次实验，共完成次实验，共完成1111个实验个实验n n实验分组进行，实验分组进行，8 8个人一个实验小组个人一个实验小组n n实验报告：每人最少实验报告：每人最少4 4份，两人合写一份份，两人合写一份n n成绩组成：平时成绩组成：平时30%30%、实验报告、实验报告20%20%、考试、考试50%50%第1页/共49页实验内容实验内容n n空气定压比热容测定、空气绝热指数测定n n气体在喷管中流动规律的实验研究n n稳态、准稳态法测量保温材料的导热系数n n绕圆柱体压力分布测定及外掠圆柱体强迫对流实验研究n n黑度及角系数测定n n沿程阻力测定及流动观察第2页/共49页实验报告要求实验报告要求 3.3.数量数量每人最少完成每人最少完成4 4份报告（）。份报告（）。强调：每完成一个实验必须及时撰写实验报告，在做下一实强调：每完成一个实验必须及时撰写实验报告，在做下一实 验时将其交给实验教师，作为能否继续实验的资格。验时将其交给实验教师，作为能否继续实验的资格。1.1.使用统一的实验报告纸；使用统一的实验报告纸；2.2.实验报告内容完整实验报告内容完整 包括：实验日期、同组人姓名、实验目的、原理、实验设包括：实验日期、同组人姓名、实验目的、原理、实验设 备系统）简图、原始数据、数据处理过程（含公备系统）简图、原始数据、数据处理过程（含公 式）、式）、结论、结论分析（误差分析、实验与理论）。结论、结论分析（误差分析、实验与理论）。第3页/共49页热工实验的作用热工实验的作用热工实验的作用热工实验的作用n n热工实验主要包括热工基础课程的实验，即热工实验主要包括热工基础课程的实验，即主要包括工程热力学、传热学和流体力学的主要包括工程热力学、传热学和流体力学的实验。实验。n n热工理论的研究方法主要有三种：理论分析热工理论的研究方法主要有三种：理论分析法、实验法和数值计算法。而在此三种方法法、实验法和数值计算法。而在此三种方法中，实验法是一种较为有用并有效的方法，中，实验法是一种较为有用并有效的方法，而且是解决各种复杂热工问题的基本方法。而且是解决各种复杂热工问题的基本方法。第4页/共49页热工实验的主要任务热工实验的主要任务热工实验的主要任务热工实验的主要任务1.1.测定物质的各种热物性参数；测定物质的各种热物性参数；2.2.确定过程中各物体所处的热状态；确定过程中各物体所处的热状态；3.3.测定不同过程中热量传递的规律。测定不同过程中热量传递的规律。n n为实现这三项任务，必须学会为实现这三项任务，必须学会1.1.各主要物理量的正确测量技术；各主要物理量的正确测量技术；2.2.各种模拟热工过程的实验技术；各种模拟热工过程的实验技术；3.3.掌握热工实验的基本理论和技能。掌握热工实验的基本理论和技能。第5页/共49页热工实验的主要内容热工实验的主要内容热工实验的主要内容热工实验的主要内容n n测量和仪表的基本知识；测量和仪表的基本知识；n n相似理论和实验模型；相似理论和实验模型；n n测量误差和实验数据处理；测量误差和实验数据处理；n n热工过程中各种基本参数的测量；热工过程中各种基本参数的测量；n n热物性测量方法；热物性测量方法；n n流动和传热过程中最基本的实验研究内容和流动和传热过程中最基本的实验研究内容和方法。方法。第6页/共49页测量和仪表的基本知识测量和仪表的基本知识测量和仪表的基本知识测量和仪表的基本知识n n测量的概述测量的概述n n测量仪表测量仪表n n测量仪表的分类和特性测量仪表的分类和特性第7页/共49页测量概述测量概述测量概述测量概述n n测量的定义测量的定义：用实验的方法，将被测量的：用实验的方法，将被测量的：用实验的方法，将被测量的：用实验的方法，将被测量的量与选作单位的同类量进行比较，从而确量与选作单位的同类量进行比较，从而确量与选作单位的同类量进行比较，从而确量与选作单位的同类量进行比较，从而确定被测量量的值的过程。定被测量量的值的过程。定被测量量的值的过程。定被测量量的值的过程。n n测量的分类：直接测量和间接测量测量的分类：直接测量和间接测量1.1.直接测量：利用标准尺度与被测量量直接进直接测量：利用标准尺度与被测量量直接进行比较而获得结果的方法；行比较而获得结果的方法；2.2.间接测量：凡是不能被直接测量，而是通过间接测量：凡是不能被直接测量，而是通过测量其他相关物理量，按一定的函数关系测量其他相关物理量，按一定的函数关系得到被测量量的方法，均称为间接测量。得到被测量量的方法，均称为间接测量。第8页/共49页直接测量的方法直接测量的方法直接测量的方法直接测量的方法1.1.直读法：由度量标准直接比较或由仪表直直读法：由度量标准直接比较或由仪表直接读出；接读出；2.2.差值法：用仪表测出二量之差即为所要求差值法：用仪表测出二量之差即为所要求之量；之量；3.3.代替法：用已知量代替被测量，而两者对代替法：用已知量代替被测量，而两者对仪表的影响相同，则被测量量就等于已知仪表的影响相同，则被测量量就等于已知量的方法；量的方法；4.4.零值法：被测量对仪表的影响被同类的已零值法：被测量对仪表的影响被同类的已知量的影响抵消，使总的效应为零，则被知量的影响抵消，使总的效应为零，则被测量等于已知量。测量等于已知量。第9页/共49页测量仪表的分类测量仪表的分类测量仪表的分类测量仪表的分类n n范型仪表（标准仪表）范型仪表（标准仪表）范型仪表（标准仪表）范型仪表（标准仪表）用来复制或保持测量单位，或者用来对各种测用来复制或保持测量单位，或者用来对各种测量仪表进行校核和刻度工作的仪表。量仪表进行校核和刻度工作的仪表。n n实用仪表实用仪表实用仪表实用仪表 实验中用来测量数据的仪表。实验中用来测量数据的仪表。实验中主要使用实用仪表。实验中主要使用实用仪表。第10页/共49页仪表的一般构成仪表的一般构成仪表的一般构成仪表的一般构成n n感受件感受件感受件感受件：直接与被测对象联系，感受被测参：直接与被测对象联系，感受被测参数的变化，并将其转换成一种信号输出。数的变化，并将其转换成一种信号输出。n n显示件显示件显示件显示件：仪表通过它向观察者反映被测参数：仪表通过它向观察者反映被测参数的变化。根据显示件的不同，仪表可以分为的变化。根据显示件的不同，仪表可以分为直读式和记录式两种。直读式和记录式两种。n n中间件中间件中间件中间件：中间件的作用是将感受到的输出信：中间件的作用是将感受到的输出信号传输给显示件。在传输过程中，信号可以号传输给显示件。在传输过程中，信号可以放大、转换。放大、转换。第11页/共49页测量仪表的特性测量仪表的特性测量仪表的特性测量仪表的特性n n灵敏度灵敏度n n分辨率（或灵敏度限）分辨率（或灵敏度限）n n准确度准确度n n复现性复现性n n动态特性动态特性第12页/共49页相似理论的核心内容相似理论的核心内容相似理论的核心内容相似理论的核心内容n n相似理论的核心内容相似理论的核心内容1.1.相似第一定理：彼此相似的现象，它们的相似第一定理：彼此相似的现象，它们的同名准则数必定相等；同名准则数必定相等；2.2.相似第二定理：任何微分方程式所描述的物相似第二定理：任何微分方程式所描述的物理现象都可以用从该微分方程式导出的相理现象都可以用从该微分方程式导出的相似准则的函数关系式来表示；似准则的函数关系式来表示；3.3.相似第三定理：凡是单值性条件相似，同名相似第三定理：凡是单值性条件相似，同名定型准则相等的那些物理现行必定是相似定型准则相等的那些物理现行必定是相似现象。现象。第13页/共49页相似理论在实验中的应用相似理论在实验中的应用相似理论在实验中的应用相似理论在实验中的应用n n实验必须在相似的条件下进行；实验必须在相似的条件下进行；n n实验中应该测量包含在形似准则中的所有物实验中应该测量包含在形似准则中的所有物理量；理量；n n实验数据应该整理成形似准则的函数关系；实验数据应该整理成形似准则的函数关系；n n实验结果可以推广到形似现象中去。实验结果可以推广到形似现象中去。第14页/共49页测量误差测量误差测量误差测量误差n n测量误差的表示测量误差的表示1.1.绝对误差绝对误差2.2.相对误差相对误差n n误差的性质和分类误差的性质和分类1.1.疏忽误差（过失误差）疏忽误差（过失误差）2.2.系统误差系统误差3.3.随机误差随机误差第15页/共49页随机误差的性质随机误差的性质随机误差的性质随机误差的性质n n一次测量无规律，但多次测量符合正态分一次测量无规律，但多次测量符合正态分布；布；n n真值的获得：真值的获得：1.1.最小二乘法最小二乘法2.2.等精度测量取算术平均值等精度测量取算术平均值第16页/共49页随机误差的表示随机误差的表示随机误差的表示随机误差的表示n n标准误差标准误差n n平均误差平均误差n n或然误差或然误差n n极限误差或最大误差极限误差或最大误差n n算术平均值的标准误差算术平均值的标准误差第17页/共49页测量结果的表示测量结果的表示测量结果的表示测量结果的表示第18页/共49页间接测量中的误差间接测量中的误差间接测量中的误差间接测量中的误差n n根据直接测量值的精度来估计间接测量值的根据直接测量值的精度来估计间接测量值的误差；误差；n n如果对间接测量值的精度有一定的要求，可如果对间接测量值的精度有一定的要求，可以确定各直接测量值的误差大小和实验方案；以确定各直接测量值的误差大小和实验方案；n n寻求测量的最有利条件，也就是使函数误差寻求测量的最有利条件，也就是使函数误差达到最小值的极限条件。达到最小值的极限条件。第19页/共49页误差递推公式误差递推公式误差递推公式误差递推公式第20页/共49页实验数据处理实验数据处理实验数据处理实验数据处理n n有效数字的概念有效数字的概念n n有效数字的计算法则：有效数字的计算法则：n n等精度测量结果的数据处理等精度测量结果的数据处理第21页/共49页有效数字的概念有效数字的概念有效数字的概念有效数字的概念n n只有最后一位不确定的估计数字而其余的数字都是准确数字的全只有最后一位不确定的估计数字而其余的数字都是准确数字的全部数字成为有效数字。部数字成为有效数字。第22页/共49页有效数字计算法则有效数字计算法则有效数字计算法则有效数字计算法则1.1.记录的实验数据为有效数字；记录的实验数据为有效数字；2.2.有效数字位数确定后，多余的有效数字一律舍有效数字位数确定后，多余的有效数字一律舍去并进行凑正；去并进行凑正；3.3.加减运算法则；加减运算法则；4.4.乘除运算法则；乘除运算法则；5.5.乘方及开方运算法则；乘方及开方运算法则；6.6.对数运算法则；对数运算法则；7.7.计算平均值时，若为四个数据或四个以上的数计算平均值时，若为四个数据或四个以上的数据相平均时，则平均值的有效数字可以增加据相平均时，则平均值的有效数字可以增加一位。一位。第23页/共49页等精度实验数据的处理等精度实验数据的处理等精度实验数据的处理等精度实验数据的处理n n将实验数据按先后次序列表；将实验数据按先后次序列表；n n求算术平均值；求算术平均值；n n求参差及参差的平方求参差及参差的平方n n求标准差；求标准差；n n剔除剔除“坏值坏值”；n n求算术平均值的标准误差；求算术平均值的标准误差；第24页/共49页实验曲线的绘制和拟合实验曲线的绘制和拟合实验曲线的绘制和拟合实验曲线的绘制和拟合n n绘制实验曲线应注意：绘制实验曲线应注意：1.1.实验曲线必须尽可能多的通过实验点，留在曲实验曲线必须尽可能多的通过实验点，留在曲线外的实验点应尽可能靠近曲线，并且曲线线外的实验点应尽可能靠近曲线，并且曲线两侧的实验点应大致相等；两侧的实验点应大致相等；2.2.曲线应光滑；曲线应光滑；3.3.图上应当标出实验点所对应的实验条件。图上应当标出实验点所对应的实验条件。n n写出测量结果的最后表达式。写出测量结果的最后表达式。第25页/共49页实验曲线的拟合方法实验曲线的拟合方法实验曲线的拟合方法实验曲线的拟合方法n n分组平均法；分组平均法；n n参差图法拟合直线；参差图法拟合直线；n n最小二乘法、最小二乘法、第26页/共49页温度和温度场的测量温度和温度场的测量温度和温度场的测量温度和温度场的测量n n测量温度的原理测量温度的原理n n测量温度的仪表测量温度的仪表n n测量温度的方法测量温度的方法n n测量温度中的误差测量温度中的误差第27页/共49页测量温度的原理测量温度的原理测量温度的原理测量温度的原理n n热力学第零定律（或热平衡原理）热力学第零定律（或热平衡原理）第28页/共49页测量温度的仪表测量温度的仪表测量温度的仪表测量温度的仪表n n棒式温度计棒式温度计1.1.玻璃管式温度计玻璃管式温度计2.2.双金属温度计双金属温度计n n压力表式温度计压力表式温度计n n电阻温度计电阻温度计n n热电偶温度计热电偶温度计n n光纤温度计光纤温度计第29页/共49页热电偶温度计热电偶温度计热电偶温度计热电偶温度计n n原理：当两种金属丝组成闭合回路时，若两原理：当两种金属丝组成闭合回路时，若两个结点维持不同的温度，则在回路中会产生个结点维持不同的温度，则在回路中会产生热电势，而该热电势的大小与两结点的温度热电势，而该热电势的大小与两结点的温度差有关。差有关。n n热电偶材料应具备的性质热电偶材料应具备的性质1.1.热电势的大小只与温度有关，且最好为线性关热电势的大小只与温度有关，且最好为线性关系；系；2.2.其他金属材料介入时，若结点维持相同的温度，其他金属材料介入时，若结点维持相同的温度，不改变回路中热电势的大小；不改变回路中热电势的大小；3.3.抗腐蚀，有一定的机械强度。抗腐蚀，有一定的机械强度。第30页/共49页常用的热电偶测温线路常用的热电偶测温线路常用的热电偶测温线路常用的热电偶测温线路n n单点测温线路单点测温线路n n温差测温线路温差测温线路n n多点测温线路多点测温线路n n并联测温线路并联测温线路n n串联测温线路串联测温线路第31页/共49页热电偶制作热电偶制作热电偶制作热电偶制作n n熔焊（电弧焊）熔焊（电弧焊）n n电容冲击焊电容冲击焊n n锡焊锡焊第32页/共49页对节点的要求对节点的要求对节点的要求对节点的要求n n热电偶的结点头部呈小球形，球的直径略大热电偶的结点头部呈小球形，球的直径略大于二倍热电偶丝的直径；于二倍热电偶丝的直径；n n头部光亮、无氧化黑斑、金相结构致密无砂头部光亮、无氧化黑斑、金相结构致密无砂孔；孔；n n热电偶头部应有足够的机械强度；热电偶头部应有足够的机械强度；n n热电偶线不发生扭曲、打结，两线之间除头热电偶线不发生扭曲、打结，两线之间除头部接触点以外应相互绝缘。部接触点以外应相互绝缘。第33页/共49页热电偶参考点的选择热电偶参考点的选择热电偶参考点的选择热电偶参考点的选择n n参考点的选择，影响到输出热电势的大小。参考点的选择，影响到输出热电势的大小。只有在参考点温度固定的情况下，热电偶才只有在参考点温度固定的情况下，热电偶才能正确反映出工作端的温度大小。因此在热能正确反映出工作端的温度大小。因此在热工实验中，往往采用冰点作参考点。工实验中，往往采用冰点作参考点。n n采用冰点发生器。它是利用热电元件通电制采用冰点发生器。它是利用热电元件通电制冷的原理冷却一个密闭的水槽，使基准点的冷的原理冷却一个密闭的水槽，使基准点的温度维持在冰点的。温度维持在冰点的。第34页/共49页测量温度的方法测量温度的方法测量温度的方法测量温度的方法n n内部温度测量方法内部温度测量方法n n表面温度测量方法表面温度测量方法n n介质温度测量方法介质温度测量方法第35页/共49页内部温度测量内部温度测量内部温度测量内部温度测量n n测温仪表：主要用热电偶测温仪表：主要用热电偶n n打孔测量打孔测量1.1.打小孔打小孔2.2.打打孔打打孔第36页/共49页表面温度测量表面温度测量表面温度测量表面温度测量n n测温仪表：主要用热电偶测温仪表：主要用热电偶n n直接测量直接测量1.1.热电偶直接焊接到或紧贴在被测表面上热电偶直接焊接到或紧贴在被测表面上2.2.将热电偶沿着等温线埋设在被测表面内将热电偶沿着等温线埋设在被测表面内n n间接测量间接测量测量表面附近的温度变化，按一定的原理推算到测量表面附近的温度变化，按一定的原理推算到要测量表面的温度的方法称为间接测量法。要测量表面的温度的方法称为间接测量法。第37页/共49页介质温度的测量介质温度的测量介质温度的测量介质温度的测量n n测温用的仪表：棒式温度计、热电偶温度计测温用的仪表：棒式温度计、热电偶温度计n n方法：将温度计直接与被测介质接触方法：将温度计直接与被测介质接触第38页/共49页测量温度的误差测量温度的误差测量温度的误差测量温度的误差n n引线的导热误差引线的导热误差n n固体内部温度测量误差固体内部温度测量误差n n壁面温度测量误差壁面温度测量误差n n测温管引起的介质温度测量误差测温管引起的介质温度测量误差n n温度测量中的辐射误差温度测量中的辐射误差第39页/共49页电加热功率测量电加热功率测量电加热功率测量电加热功率测量n n主要采用伏安法主要采用伏安法n n测量仪表：电流表、电压表、功率表测量仪表：电流表、电压表、功率表n n注意仪表的接法注意仪表的接法n n注意小功率的测量注意小功率的测量第40页/共49页表面热流测量表面热流测量表面热流测量表面热流测量n n测量表面的温度和流体温度，利用牛顿冷却测量表面的温度和流体温度，利用牛顿冷却公式计算表面的热流公式计算表面的热流n n测量表面附近的温度梯度，来就算表面的热测量表面附近的温度梯度，来就算表面的热流流n n热流计来测量物体表面的热流热流计来测量物体表面的热流第41页/共49页导热型热流计的工作原理导热型热流计的工作原理导热型热流计的工作原理导热型热流计的工作原理n n基于一维导热的原理基于一维导热的原理第42页/共49页测量压力的仪表测量压力的仪表测量压力的仪表测量压力的仪表n n测量压力的仪表测量压力的仪表1.U1.U型管压力计型管压力计2.2.单管压力计单管压力计3.3.倾斜微压计倾斜微压计4.4.多管压力计多管压力计第43页/共49页流体中压力的测量流体中压力的测量流体中压力的测量流体中压力的测量n n静压的测量静压的测量1.1.在容器上打孔，直接安装测压仪表在容器上打孔，直接安装测压仪表2.2.用静压测量探针用静压测量探针n n动压的测量动压的测量分别测量静压和总压，按柏努力方程计算分别测量静压和总压，按柏努力方程计算n n总压的测量总压的测量利用总压测量探针测量利用总压测量探针测量第44页/共49页流速的测量流速的测量流速的测量流速的测量n n利用测压探针测量流速利用测压探针测量流速n n利用热线风速仪测量流速利用热线风速仪测量流速n n利用多普勒风速仪测量流速利用多普勒风速仪测量流速第45页/共49页探针测量流速探针测量流速探针测量流速探针测量流速n n测量原理：柏努力方程测量原理：柏努力方程n n毕托管：复合的总压和静压测压管。毕托管：复合的总压和静压测压管。第46页/共49页流量的测量流量的测量流量的测量流量的测量n n容积流量计测量流量容积流量计测量流量n n速度流量计测量流量速度流量计测量流量n n差压式流量计测量流量差压式流量计测量流量1.1.比托管和均速管比托管和均速管2.2.节流式流量计节流式流量计第47页/共49页节流式流量计的原理节流式流量计的原理节流式流量计的原理节流式流量计的原理n n根据热力学原理，当发生节流时节流前后的根据热力学原理，当发生节流时节流前后的压力要发生变化，而变化的大小与被节流流压力要发生变化，而变化的大小与被节流流体的速度有关。速度越高，节流产生的压差体的速度有关。速度越高，节流产生的压差越大。越大。n n只要测量节流前后的压力差，即可算出被节只要测量节流前后的压力差，即可算出被节流流体的流速，进而算出其流量。流流体的流速，进而算出其流量。第48页/共49页