实验九热气膜换热.doc

实验九 　热气膜换热
一、实验目的
1、了解气膜冷却基本原理；
2、了解液晶测温法基本原理，掌握液晶测温一般方法；
3、学习掌握温度场的处理方法。
二、实验内容及基本原理
实验内容：
1、测量不同吹风比下绝热壁温温度场
2、测量不同吹风比下壁温温度场
3、处理实验数据，得出气膜冷却效果和换热系数。
实验原理：
1.气膜冷却原理
气膜冷却是航空发动机高温部件广泛采用的冷却技术之一。
在壁面附近沿切线方向或用一定的入射角度射入一股冷却气流，用以将高温气体与壁面隔离，这类防护性冷却即气膜冷却 。
气膜冷却对热壁面起着两重热保护作用：一是将高温燃气与壁面隔开，以避免高温燃气直接对壁面进行对流交换，这是隔热作用；二是在大部分区域里，将高温燃气与发亮火焰的辐射热量从壁面带走一部分，这是冷却作用。

气膜冷却原理图
研究气膜冷却的实验机理也就是研究气膜冷却换热系数h和气膜冷却效果η。
（1）气膜冷却换热系数
对流换热系数的物理意义为，当壁温和绕流介质温度之差为1K时，单位时间单位面积上的对流换热量。
气膜冷却换热系数的定义为：

其中h——气膜冷却换热系数
q——单位面积上的对流换热量
Taw——绝热壁温
Tw——壁温
实验中各项的确定：
a. q的确定：
q=I·U /A
I,U分别为试件加热的电流和电压，A为试件的有效加热面积，即单位面积上的对流换热量等于单位面积上的电功率。
b. Taw的确定：由上式可得，

当q=0时 Taw=Tw，所以，Taw用q=0即试件不进行加热时的壁温来确定。
c. Tw的确定：Tw即壁温。本次实验的壁温用液晶测温法测得。
（2）气膜冷却效果

其物理意义为，空气流在与壁面进行对流换热的情况下在没有任何其他冷却措施而只有气膜冷却时壁面的冷却效果。
其中，η——气膜冷却效果
Tg——主流气体温度
Tc——冷却气体温度
Taw——绝热壁温
Tg和Tc均由热电偶测得
（3）其他一些参数的测量
由测得的Tg和Tc可以确定出主流和射流的各项物性参数，如密度ρ、运动粘度γ等，进而得到雷诺数Re,气膜冷却吹风比M等
吹风比的定义为：
另外还需要测量主流和射流的流量

2.液晶测温基本原理
液晶是对介于液态和固态之间状态的一种中间相的一些有机化合物的称呼，根据其分子结构可以分为三种：近晶型液晶、向列型液晶和胆甾型液晶。不同类的液晶在不同的电磁场、应力、压力和温度场影响下，其分子的排列是不一样的。在液晶相状态下，分子失去了位序但保留了相序。相序使得液晶显示出晶体的某些光学性质，而缺乏位序则使之呈现出液态流动性。下面三图分别描述了近晶型和向列型及胆甾型液晶分子的分子取向。

近晶型 向列型 胆甾型
大多数胆甾型液晶表现为它们的颜色是随着温度的变化而变化，这种变化是可逆的，因此可用于传热和流动的研究。
热色液晶当温度升高后，颜色也随之发生变化，在低温段显示红色，之后出现绿色，最后出现波长最短的蓝色。

3.浮子流量计工作原理
浮子流量计又称玻璃转子流量计。在垂直、透明、带有刻度的玻璃锥管内，装有可上下移动的浮子。当流体自下而上经锥管时被浮子节流，在浮子上下游之间产生压差，浮子在此压差作用下上升。当使浮子上升的力与浮子所受的重力、浮力及粘性力三者的合力相等时，浮子处于平衡位置。因此流经流量计的流体流量与浮子的上升高度，亦即与流量计的流通面积之间存在着一定的比例关系。这就是浮子流量计的基本工作原理。
使用时按照下式进行修正：

其中：
Q： 流量
ε: 膨胀系数 εs=εn
ρ: 密度
P: 压力
T: 温度
Z: 压缩系数
下标的代表意义：
S: 工作状态下
N: 标准状态 (20ºC, 标准大气压，空气.)
SN: 标准状态下工作流体 (20ºC, 标准大气压)
当流体为空气时，.
上述修正公式可简化为：

三、实验使用的仪器设备及实验装置
1、气膜冷却实验台一套
2、数码相机一台
3、空气压缩机一台
4、浮子流量计一台
5、PC机一台
四、具体实验步骤
1、调节各加热电源的旋钮到零位置。
2、接通实验台电源
3、开启计算机并启动测控程序。
4、接通风机电源。
5、调节主流加热电源至75V。
6、根据射流温度调节射流加热器电源。
7、监视主流温度，稳定后测量主流流速和射流流量。
8、调节照相机，拍摄试件液晶图像，即为此时的绝热壁温图像。
9、改变射流流量,使吹风比变到另一数值。重复实验步骤6－8。
10、调节试件加热电源，逐渐使电压增加到1V，测量电压及电流值。
11、监视壁面温度，稳定后拍摄试件表面图像，即为此时的有换热时的壁面温度图像。
12、改变射流流量,使吹风比变到另一数值，并适当调节试件加热电压。重复实验步骤10－11。
13、实验结束后，首先关闭主流和射流加热电源。并通风10分钟。
14、关闭风机电源、计算机电源和实验台总电源。
五、实验准备及预习要求
1、学习气膜冷却基本原理和液晶测温基本原理；
2、自行设计Excel数据记录表格，要求将射流流量、吹风比等参数直接用公式生成。
六、实验报告内容及格式
1、实验目的
2、实验内容
3、实验装置
4、实验原理
5、实验步骤
6、实验结果与分析
7、思考题解析