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1、1工程传热学实验指导传热学是一门以实验为基础、服务工程实践的应用科学，实验研究是发展传热学、解决工程问题的重要手段。传热实验分为实物-物理模型实验和计算机模拟实验。前者又可分为验证性和探索性实验，探索性实验是以相似理论和量纲分析为基础，将客观的传热现象变换为实验室能够操作的规模，测量影响传热特性（如传热系数、温度变化）的各种因素之间的相互关系，分析、整理实验记录数据，总结该传热物理模型的无量纲准则关联式，达到节约各种资源、获得满意实验效果、为工程或科研项目服务的目的。验证性实验则是面向传热理论教学的，学生在设计好的仪器设备上动手操作，借助具有典型工程性的实验设备，让学生亲身体会在错综复杂的、纷
2、乱的实验现象中去发现问题、观察问题、解决问题，从而帮助学生理解教材叙述的理论方法，锻炼基本热工仪器仪表使用操作的素质、能力。计算传热学（或传热计算机模拟）已经发展成了传热学的一个分支学科，是当前研究热点。应用计算机解决工程实际问题，是现代工程技术人员所必备的技能。通过传热学计算机实习，学生初步锻炼计算机求解传热问题的技能，为后续课程学习、设计、从事实际的科研设计奠定基础，以适应信息化的大趋势。传热实验有别于前继课程中的教学实验的主要特点是其典型的工程性、复杂的理论性和直接的现实性。这与前继课程中的一些教学实验将错综复杂的工程割裂成单一的过程、突出某一典型现象有着显著的区别。教学实验台的设计愈来
3、愈趋向模块化、集成化、小型化、综合化、信息化、智能化，尽量减少单调机械的重复劳动，加快实验进度。先进的实验台还具有在线会话与指导功能，让学生在动手操作的同时，充分感受现代科技的魅力，对于提高实验效果进而激发学习兴趣，开阔思路，具有重要的意义，也是实验、教学工作者的努力方向。实验方式及基本要求 学生为主，充分预习，两、三人合作完成，教师为辅助。明确实验目的调节仪表记录数据回答问题实验报告 关于实验报告 实验报告应简述实验及仪器操作的基本原理，同时将完成的实验数据以及实验中发现的问题、体会记录在报告中。实验涉及的比较艰深的理论不作统一要求。考核与考试 记 分 方 法 ： 实 验 报 告 成 绩 实
4、 验 表 现 权 重 参 数 实 验 纪 律 。 2热能与动力工程系传热/流体实验实验项目 主要仪器设备 服务课程 价格(元) 面积(m2) 备注恒热流准稳态平板法测定材料热物性实验SE1-2 热物性测定仪 计算机数据采集系统 工程传热学 8000空气横掠圆柱体局部对流换热系数的测定SE-HR1 型对流换热实验台低压直流电源 数字电位差计 待测圆柱试件 热电偶 皮托管速度计 倾斜式微压计工程传热学空气绕圆柱体流动压力分布测定SE-HR1 型对流换热实验台 皮托管速度计 倾斜式微压计 待测圆柱试件流体力学2000020 参考东南大学热工实验稳态导热有限差分数值实验3计算机实习任务本指导书给出了二
5、个练习题及相应的参考算法。 分别涉及了非线性方程求解、一维稳态导热问题。要求学生在掌握问题的数值计算方法的基础上，画计算流程图,说明使用变量的含义,在相互讨论的基础上独立运用 Matlab 或其它工具平台编写计算机程序并用所编的程序计算出练习题的数值结果，进行相关讨论。上机实验在 7 号楼五层软件基础实验室。练习一 非线性方程求解非线性方程是对流换热或工程流体力学计算以及工程实际中经常遇到的问题，也是数值分析/计算方法的入门内容,由于关键物理参数不能预先知道，需要反复地叠代计算。1.1 实际问题某锅炉的炉墙由三层材料叠合而成。最内层是耐火粘土砖，壁厚 115 mm；中间是 B 级硅藻土砖，厚
6、125mm；最外层是石棉板，厚度 70mm.。已知炉墙内外表面温度 495和 60，试求每平方米炉墙每小时热损失，耐火粘土砖和硅藻土砖分界面的温度。1.2 物理模型锅炉炉墙可按多层复合平壁稳态导热过程处理 通过炉墙整体和各层的导热热流21321tttqw（1）各符号的含义见传热学教材 29 页，t1,t2 为中间层的壁面温度。由于保温材料的导热系数随温度而变，各个 都是温度的函数，查教材附录，得耐火粘土砖 Ct058.)47.(B 级硅藻土砖 （2）石棉板 按 常数 1通过炉墙的导热热流与各层平壁的温度分布直接相关,但温度未知,(1)式等号两边都含有未知参量，因此只能假定温度再反复校核。1.3
7、 计算思路参考假设待求温度初始值（譬如对炉墙整体的温差进行平均分配求得中间层的内、外壁面温度），按各层的平均温度求出导热系数，代入(1)式求出 q，再用 q 对每层运算，求得t1,t2，比较前后 t1 值是否在设定误差 eps 内，若否，把新值赋与旧值重新计算。41.4 建议 求 、 q 时调用函数 M 文件完成；在程序 M 文件中完成比较判断。练习二：一维稳态导热的数值计算1.1 物理问题图 1 示出了一个等截面直肋，处于温度 t=80的流体中。肋表面与流休之间的对流换热系数为 h=45W/m2.，肋基处温度 tw=300，肋端绝热。肋片由铝合金制成，其导热系数为 =110W/m，肋片厚度为
8、 =0.01m，高度为 H=0.1m。试计算肋内的温度分布及肋的总换热量。1.2 用热量平衡推导解析解（取垂直纸面方向长度 1）引入无量纲过余温度 ，则以无量纲温度 描述tw的肋片导热微分方程及其边界条件为:0,12xHmd其中 (其中符号含义与教科书杨世铭陶文铨编著传热学相同，以下同)。Ahp上述数学模型的解析解见教材 p3839。1.3 数值离散1.3.1 区域离散在对方程(1-1)(1-2)进行数值离散之前,应首先进行计算区域的离散。计算区域的离散如图 1 所示，总节点数取 N。1.3.2 微分方程的离散由于方程(1-1)在计算区域内部处处成立，因而对图 1 所示的各离散点亦成立。对任一
9、节点 i 有：(1-1)(1-2)(21xtthxtiii 5整理上式成迭代形式:(i=2,3,N-1) (1-3)12iixm1.3.3 边界条件离散每个内部节点都可得出一个类似的方程。事实上，式(1-3)表达的这个方程组的个数少于未知数 (i=1,2, ,N)的个数。因此，还需要根据边界条件补充进两个方程后代i数方程组才封闭。左边界(x=0)为第一类边界条件，温度为已知，因此可以根据式(1-2)直接补充一个方程为： 11wt右边界为第二类边界条件，由图 1 中边界节点 N 的向后差分来代替式(1-3)中的导数，得：01x将此式整理为迭代形式，得： 1N1.3.4 最终的离散格式(i=2,3
10、,N-1) （1-6）1121Niiiwxm1.3.5 代数方程组的求解及其程序代数方程组有各种求解方法，对于本题较为有效而简便的方法是 追赶法(TDMA)。方程的系数矩阵命令提示：求系数矩阵， 二维数组 a 中常数计算用一维数组标记中间矩阵 L,u1,u2 求 u 阵的第一行 u1(1)=a(1,1);u2(1)=a(1,2);依次求数组 L 、u1,u2 分量数值for i=1:4 求方程解向量 xL(i)=a(i+1,i)/u1(i); y(1) =b(1);u1(i+1)=a(i+1,i+1)-L(i)*u2(i); for i=2:5u2(i+1)=a(i,i+1); y(i)=b(
11、i)-L(i-1)*y(i-1);end x(5)=y(5)/u1(5);for i=4:1 x(i)=(y(i)-x(i+1)*u2(i)/u1(i);1.4 上机要求543210a104321l15243120u6（1）绘计算流程图（2）完成离散点的温度计算（3）根据 p3839 公式求肋片导热热流，并同数值结果比较（4） 改变肋厚、肋高，分别绘二维曲线图，反映它们对于热流的影响（5） 肋片高度增大，实际热流是否必然增大？（6） 自编程序与使用 matlab 命令、语句相结合7实验一 恒热流准稳态平板法测定材料热物性实验(导热系数、比热容、导温系数)导热系数是表征材料热传导性能的物理参数。
12、根据 Fourier 定律，导热系数的测量可以沿循稳态导热和非稳态导热两种思路。 稳态导热法 认为导热系数的变化是随温度而线性变化的， 实验要求持续的时间长，需要的设备比较多，如测量热流密度 时需要引入泵、水循 环系统，且必须计及散热误差。非稳态法着眼于“ 瞬态”特性，持续时间较 短，可以 测量不同温度条件下的 导热系数，因而愈来愈受到重视。一、实验目的1.通过实验测出温度变化曲线，进一步加深了解不稳定导热过程的特征。2.对导热系数、导温系数及比热容有比较直观的认识，并掌握快速测试材料热物性的实验方法和技术。二、实验原理根据导热理论，对厚度为 2 ，初始温度为ti、导热系数为 、导温系数为 的
13、无限大平板，当其两表面用恒热流密度 q 加热时，平板内任意点的温度可表示为:(1) 1 222 )exp()cos()()(6)(1n oowi FnxFqt 当加热经过一段时间后,即 Fo0.5（教材取为 0.2）时,（1）式中的级数项便可略去不计了。这时可得简单的关系式(2)6)(2xqtowi由（2）式可见，板内各点温度随时间是线性变化的，而与板面垂直的坐标 X 是成抛物线关系的。如图 1 所示。这就是不稳态导热达到准稳态时的温度场特征（“准稳态”）。对于 X= 的加热面和 X=0 的中心面，上式分别写成： )31(owiFqt)6(oict由上面两式可得导热系数为 图 1 实验原理 w
14、/mK (3) tqtwcw2)(式中， t =tw-tc 同一瞬时加热面与中心面间的温差，；qw单位面积平板表面所获得热流量，W/m 2；8 平板的半宽度，m。因为从不稳态导热达到准稳态时，板内各点的温度是随时间线性变化的。也就是说，此时板内各点温度对时间的变化率是相同的，故只要测出中心面（或加热面）的温度变化率，就可以按定义写出比热容的计算式：J/kgK (4)cwtqc)(式中： 试材的密度，kg/m 3；（ t / ） c中心面的中心温度变化率，/s。按定义，材料的导温系数可表示为：m2/s （5）2()()ccwttaq综上所述,应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时,在一个实验上可同时测出材料的三个重要热物性导热系数、比热容和导温系数。关于准稳态导热方程解析解的推导和数据采集系统,见实验附录。三、实验设备实验设备包括 SEI-3 型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件，如图 2 所示。SEI-3 型准稳态法热物性测定仪内实验本体由四块厚度均为 、面积均为 F 的被测试材重叠9在一起组成。在第一块与第二块试材之间夹着一个薄型的片状电加热器；在第三块和第四块试材之间也夹着一个相同的电加热器；在第二块与第三块试材交界面
