边界层测定---副本.docx

专业： 化学工程与工艺
姓名： 高子岳
学号：3110101849
日期：2013.9.18
地点：教十3203
实验报告

课程名称：
过程工程原理实验（甲）
指导老师：
叶向群
成绩：
实验名称：
空气纵掠平板时流动边界层、热边界层的测量
实验类型：

同组学生姓名：
周恒 周冰洁

一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得

一、实验目的和要求
1. 了解实验装置的原理、测量系统及测试方法。
2. 掌握流动边界层内速度分布和热边界层内温度分布的规律，加深对边界层理论中各概念的理解。
3. 了解动量传递与热量传递间的类比关系。

二、实验内容和原理

图1 平板附近形成的流动边界层和热边界层示意图
如图1所示，平板表面具有恒定的热流密度，当温度为的空气以均匀来流掠过平板时，在平板附近形成流动边界层和热边界层。
记、为平板流动边界层及热边界层厚，则、仅为的函数，且为常数。、与的关系可通过测量不同处气流的速度分布、温度分布来确定。
实验中，用热电偶可得到温差；用毕托管可测得气体流速。具体如下：
热电偶A、B均为铜—康铜热电偶，以空气来流作为参考温度，热端、冷端每度温差的热电偶输出可近似取为，因此
(1)
装 订 线
装 订 线
(2)
其中E为温差所对应的热电势。
用毕托管测得的u按下式计算： ( ) (3)
由此可以得到边界层内外的空气速度。
其中：——空气速度，；
——倾斜式微压计指示液密度，；
——空气密度，；
——倾斜式微压计读数，mm；
g ——重力加速度，9.18m/s2
Κ——倾斜式微压计倾斜常数。

三、主要仪器设备
本实验流程图如图2所示：

图2 实验装置流程图
实验装置由风源、试验段和测量系统构成。试验段由有机玻璃制成的风道、平板试件及提供热源的低压直流电源构成。平板纵向插入风道中，并可在风道内上、下移动，平板表面为一薄的不锈钢片（内衬有较厚的胶木板），并由低压直流电源提供恒定的电流I进行加热，使不锈钢片表面具有恒定的热流密度，平板表面温度的变化直接反映出表面对流传热系数的大小。
测量边界层内场的变化情况的测温探头和测速探头被一同安装在一位移机构上，并位于试验风道出口处，二探头的位移由百分表精确测量。探头接触平板壁面的初始位置由机构内的电回路上的指示灯控制，位移机构上固定探头处有一微调件，可以调节探头的伸出距离，使二探头处于对平板壁面有同样的相对位置。
本实验中，测速探头为一毕托管，外接倾斜式微压计；测温探头用热电偶。平板壁温通过热电偶、转换开关经直流数字电压表测出，其中热电偶的热端放在不锈钢内表面与胶木板之间，冷端放在风道主气流中，热电偶反映的是温差所对应的热电势。

四、操作方法和实验步骤

1．连接并检查所有线路和设备，将直流电源电压调节旋钮逆时针转到底，指针指在零位，往上移动平板，使平板前缘位于风道出口处。
2．打开风机调节风门，控制进风量恒定。
3．接通直流电源，并慢慢地提高输出电压，使电流为15A，对平板进行加热。
4．调节百分表旋钮，使探头向平板靠近，然后调节测温探头和测速探头的微调旋钮，使二探头同时刚刚触及平板壁面，即二指示灯同时亮或同时暗。调好后将百分表旋至本位并记下百分表初始读数。
5．从探头触及平板壁表面处开始测量，每移动0.5mm测量一次，读出微压计读数，同时记录热电势及位移值，直至微压计、读数不变，得一组数据。
6．将平板往下调节（增大），固定在一个新的位置，重复实验步骤4、5。
7．重复步骤6，直至测到5组数据后，开始测量壁温。
8．接热电偶A编号旋转热电偶连接板的旋转开关（注意：用手抓住热电偶连接板以免连接板掉下），用直流数字电压表逐点读出其温差电势。
9．实验结束时，将电压调节旋钮逆时针旋到底，指针恢复零位，关掉直流电源。然后再将风门开到最大位置，将平板试件冷却下来后再关掉风机。

五、实验数据记录和处理

1．平板试件参数
板长 板宽
金属片宽 金属片厚 金属片总长
2．实验原始数据记录如表一和表二（下页）所示，最原始的记录可见最后附页。
其中，测得当时空气温度，也即T∞=28.0℃ ρ0sinα=810kg/m3×0.2
表一 热边界层、流动边界层测定原始数据

x=80mm
y/mm
1.0
2.0
3.0
4.0
4.3
4.4
E/mV
0.085
0.039
0.016
0.009
0.007
0.007
R/mm
11.0
12.0
14.5
15.0
15.0
15.0
y/mm
4.5
4.6
5.3
6.0

E/mV
0.005
0.007
0.005
0.007

R/mm
15.0
13.5
13.0
—

x=110mm
y/mm
0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
E/mV
0.584
0.069
0.039
0.025
0.015
0.013
R/mm
7.0
12.8
13.2
13.8
15.0
14.0
y/mm
8.0

E/mV
0.007

R/mm
14.0

x=140mm
y/mm
5.0
6.0
7.0
7.5
8.0
9.0
E/mV
0.083
0.055
0.040
0.037
0.031
0.018
R/mm
12.0
14.2
15.0
15.0
13.0
12.0
y/mm
9.5
10.0

E/mV
0.012
0.025

R/mm
—
—

x=170mm
y/mm
6.0
7.0
8.0
8.5
9.0
10.0
E/mV
0.113
0.080
0.057
0.043
0.040
0.025
R/mm
12.0
14.0
14.5
15.0
15.2
14.0

表二 平板壁温分布测定
编号
1
2
3
4
5
6
7
x(mm)
0
0
2.5
5
7.5
10
15
E(mv)
0.673
0.633
0.789
0.985
1.127
1.257
1.495
TW（℃）
43.65
42.72
46.35
50.91
54.21
57.23
62.77
编号
8
9
10
11
12
13
14
x(mm)
20
25
32.5
40
50
60
75
E(mv)
1.652
1.815
1.999
2.145
2.281
2.281
2.380
TW（℃）
66.42
70.21
74.49
77.88
81.05
81.05
83.35
编号
15
16
17
18
19
20
21
x(mm)
90
110
130
160
190
220
260
E(mv)
2.499
2.887
2.388
2.462
2.393
2.473
2.459
TW（℃）
86.12
95.14
83.53
85.26
83.65
85.51
85.19
注释：表一中所有数据均为原始记录，表二中除了壁温以外也均为原始数据记录。
的计算如下（取第1组数据做演示计算）：
因为，
所以
其余的均可由此法求得。
3．由表一 可以得到不同处的速度边界层和热边界层的厚度和。E值稳定后的值就是热边界层的厚度，而不再发生变化时的值就是速度边界层的厚度，得到结果列入下表三中。
表三 、、对应表

80
4.4
4.5
0.98
110
6.0
8.0
0.75
140
7.0
9.5
0.74
170
9.0
10.00
0.90

4．取表一中时的数据变计算得出壁温和速度，列入下表四中。
表四 x=80mm时的壁温和速度值
y(mm)
1.0
2.0
3.0
4.0
4.3
4.4
4.5
4.6
5.3
6.0
E(mv)
0.085
0.039
0.016
0.009
0.007
0.007
0.005
0.007
0.005
0.007
R(mm)
11.0
12.0
14.5
15.0
15.0
15.0
15.0
13.5
13.0
—
TW（℃）
29.98
28.91
28.37
28.21
28.16
28.16
28.12
28.16
28.12
28.16
u(m/s)
5.48
5.72
6.29
6.40
6.40
6.40
6.40
6.07
5.96
—
注：表中的、、为实验测得值，和为计算值。
取第1组实验数据（）做计算演示，其余数据均可由此法求得：
因为，
所以。

六、实验结果与分析

1．根据表三，作~、~图，如下图3所示。
x/mm
y/mm
~
~

图3 ~、~对应图
由图3可以看出，速度边界层和热边界层厚度与x呈抛物线关系。
两边界层的方程为：-δ=1.47187+0.02689x+0.00009x2

δT=-4.05573+0.14039x-0.00033x2
R2=0.96963
图中曲线最后应趋于平坦，由于测量的数据不够多，未能明显看出。由表三最后一栏，可以看出尽管和随的变化而变化，但的比值基本不随变化，取平均值。查空气参数表，知30℃时空气的普兰特准数Pr=0.701,故，与理论基本吻合。实验中由于直流数字微压表和倾斜式微压计读数均存在误差，尤其是直流数字微压表读数摇摆不定带来较大误差，所以实验结果存在误差，但工程上认为与理论值相符。由的值知热边界层的厚度要大于速度边界层。
2．根据表二，作壁温~图，如下图4所示。
TW/℃

图4 壁温~图
由图4可以看出，壁温随x的增加先增加后不变，这是因为当x小的时候，热边界层薄，热阻小，温度低。由于实验数据影响条件较多，最后的温度稳定阶段也是相对稳定而已，不可能绝对稳定不变，故壁温在一定范围内波动.
3．根据表四可得到边界层内的温度分布和速度分布，如下图5、6所示。
y/mm

图5，6 边界层内温度和速度分布
注释：由图5可知，温度随y的增加而降低；速度随y的增加大致呈上升趋势，因为随着y的增加，流体阻力减小，所以速度增加。综上：速度边界层和热边界层内均存在很大的梯度，边界层是热量传递和动量传递的主要区域。

4． 本实验属于工程验证型实验，实验结果受实际复杂情况的影响程度较大。实验误差的主要来源有：
1．实验时要控制加热电源、进风量的恒定，禁止人员在风口附近走动，以防对进风量进行干扰。而实验过程中由于风机的不稳定以及可能的人员活动均会造成实验结果的误差。
2．实验仪器本身的精确度有限，容易造成实验误差。
3．由于直流数字微压表的读数在不断波动，受个人主观因素影响较大，也会引入读数误差。
4．实验中没有测得多组数据，并没有表现出良好的重复性。
5．由于实验设备本身先天不足，不能很好地确定边界层位置。

七、讨论、心得
本实验为工程验证型实验，实验结果存在一定的误差，但是工程上允许的，本实验可以验证那些理论结论。实验操作简单，数据记录较多，实验中要耐心、应注意仔细认真。

思考题：

1．当平板固定在某一位置上时，若加大进风量，速度边界层和热边界层将如何改变？
由公式可知，当进风量增大时，增大，则速度边界层将变小。由 于 的值不变，变小，则热边界层也变小。
2．对平板，理论上为多少？
查30℃下空气参数表，知空气的比热容，黏度，导热系数，所以普兰特准数则。故。

9