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熱工測試原理與技術 版權信息
- ISBN：9787030700797
- 條形碼：9787030700797 ; 978-7-03-070079-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
熱工測試原理與技術 本書特色
適讀人群 ：能源與動力工程專業本科生，化工、機械類各專業專科生、本科生和研究生，有關教師、科技人員熱工實驗的原理和技術是能源與動力工程專業的重要專業基礎課程
熱工測試原理與技術 內容簡介
熱工測試原理和技術是能源與動力工程專業基礎課程的重要組成部分，也是測量學科的重要分支。本書根據能源與動力工程專業涉及的熱力學、傳熱學和流體力學三門課程的實驗測試基本要求而編寫。全書共10章，系統敘述各類熱工測試的基本原理和技術，全面介紹熱工測試常用的典型實驗系統的基本結構。全書內容包括：熱工測試的基礎知識，溫度和溫度場的測量，壓力的測量，流速和流量的測量，功率、熱流和熱焓的測量，氣液兩相流的測量技術，工質的熱物理性質及其測定方法，流體流動實驗研究，熱輻射，對流換熱的實驗研究。 本書是能源與動力工程專業本科生實驗課的教材，也可作為化工、機械類各專業專科生、本科生和研究生的教學參考書，亦可供有關教師、科技人員參考。
熱工測試原理與技術 目錄
目錄
前言
第1章 熱工測試的基礎知識 1
1.1 測量和儀表的基本知識 1
1.1.1 測量概述 1
1.1.2 測量儀表的分類和特性 1
1.2 相似理論和實驗模型 4
1.2.1 相似的基本概念 4
1.2.2 量綱分析和π定理 5
1.2.3 相似理論及其應用 9
1.2.4 定性溫度和特征長度 13
1.3 測量誤差和實驗數據處理 14
1.3.1 測量誤差的基本概念 14
1.3.2 直接測量中隨機誤差的估計 16
1.3.3 間接測量中的誤差分析 23
1.3.4 實驗數據的處理 27
第2章 溫度和溫度場的測量 43
2.1 溫度和溫標 43
2.2 溫度的測量和測溫儀表 45
2.2.1 膨脹式溫度計 45
2.2.2 壓力表式溫度計 48
2.2.3 電阻溫度計 51
2.2.4 熱電偶溫度計 55
2.2.5 光纖溫度計 65
2.2.6 聲波溫度計 67
2.2.7 噪聲溫度計 69
2.3 溫度場的光學測量 70
2.3.1 紋影儀 70
2.3.2 陰影儀 73
2.3.3 干涉儀 74
2.4 測溫技術 77
2.4.1 固體內部溫度測量 77
2.4.2 表面溫度的測量 79
2.4.3 介質溫度測量 83
2.4.4 動態溫度的測量 87
2.5 測溫誤差分析 91
2.5.1 引線的導熱誤差 91
2.5.2 固體內部溫度測量誤差 92
2.5.3 壁面溫度測量誤差 94
2.5.4 測溫管引起的介質溫度測量誤差 100
2.5.5 溫度測量中的輻射誤差 101
2.6 溫度場的電模擬 103
參考文獻 105
第3章 壓力的測量 106
3.1 常用壓力計及其安裝 106
3.1.1 液柱式壓力計 106
3.1.2 彈性式壓力計 111
3.2 流體中的壓力測量 117
3.2.1 靜壓的測量 118
3.2.2 總壓的測量 121
3.2.3 壓力探針的測量誤差分析 122
3.3 測壓傳感器 124
3.3.1 電容式壓力傳感器 124
3.3.2 電感式壓力傳感器 125
3.3.3 電阻應變式測壓傳感器 126
3.3.4 壓電式測壓傳感器 129
3.3.5 霍爾式壓力傳感器 131
3.3.6 力平衡式壓力(壓差)傳感器 132
3.3.7 測壓傳感器的安裝 133
3.4 真空測量 134
3.4.1 基本概念 134
3.4.2 熱偶真空計 134
3.4.3 電離真空計 135
3.4.4 磁控放電真空計 135
3.4.5 放射性電離真空計 137
參考文獻 138
第4章 流速和流量的測量 139
4.1 流速的測量 139
4.1.1 流體速度大小的測量 139
4.1.2 流速測量技術 142
4.2 流量的測量 144
4.2.1 容積式流量測量方法和儀表 145
4.2.2 速度式流量測量方法和儀表 147
4.2.3 壓差式流量測量方法和儀表 154
4.2.4 其他型式的流量計 159
參考文獻 164
第5章 功率、熱流和熱焓的測量 165
5.1 功率的測量 165
5.1.1 電加熱功率 165
5.1.2 熱機功率 166
5.2 熱流的測量 167
5.2.1 傳導型熱流計的工作原理 168
5.2.2 熱流計的標定和測量誤差 169
5.2.3 熱流計的使用 171
5.3 氣流熱焓的測量 172
5.3.1 水冷式總焓探針 172
5.3.2 吸熱式總焓探針 174
5.3.3 高溫熱焓的測量 175
參考文獻 178
第6章 氣液兩相流的測量技術 179
6.1 兩相流體流量的測量 179
6.1.1 節流法 179
6.1.2 分離法 181
6.2 空隙率的測量 184
6.2.1 快關閥法 184
6.2.2 電阻抗法 185
6.2.3 衰減法 185
6.3 濕蒸汽干度的測定 187
6.3.1 分離法 187
6.3.2 節流法 188
6.3.3 加熱法 189
6.3.4 化學法測定蒸汽的濕度 190
6.4 液膜厚度的測量 190
6.4.1 電導探針法 190
6.4.2 熒光強度法 191
6.4.3 全反射法 192
6.5 過程層析成像技術 192
6.5.1 基本原理 193
6.5.2 重建原理 194
6.5.3 在兩相流測量中的應用 194
6.5.4 過程層析成像技術的優缺點 195
參考文獻 195
第7章 工質的熱物理性質及其測定方法 198
7.1 熱物性學概說 198
7.2 比熱容的測定 199
7.2.1 絕熱量熱法 199
7.2.2 水卡計 201
7.2.3 氣體定壓比熱測定儀 202
7.2.4 非絕熱量熱法 203
7.3 導熱系數和導溫系數的測定——穩態法 208
7.3.1 平板法 209
7.3.2 圓管法 214
7.3.3 軸向熱流法 215
7.3.4 圓球法 216
7.3.5 比較法 217
7.4 導熱系數和導溫系數的測定——非穩態法 221
7.4.1 正規工況法 222
7.4.2 準穩態法 226
7.4.3 熱線法 228
7.4.4 恒熱流平面熱源法 230
7.4.5 熱脈沖法 233
7.4.6 3ω法 235
7.4.7 周期熱流法 236
7.5 黏度的測定 238
7.5.1 圓管層流法 240
7.5.2 落球式黏度計 241
7.5.3 旋轉式黏度計 243
7.5.4 恩格勒黏度計 244
7.5.5 毛細管法 245
7.6 絕熱指數的測定 246
7.7 實際氣體p-v-T關系的測定 248
7.7.1 直接法 248
7.7.2 間接法 249
參考文獻 252
第8章 流體流動實驗研究 254
8.1 流動顯示 254
8.1.1 雷諾顯示 254
8.1.2 煙流法—煙風洞 256
8.1.3 粒子圖像測速技術 257
8.1.4 激光誘導熒光技術 258
8.1.5 紋影技術 258
8.1.6 流動層析成像技術 260
8.1.7 全息干涉技術 261
8.1.8 粒子紋影一體化流動顯示技術 263
8.2 流體在管內的流動 273
8.3 風洞實驗 276
8.3.1 絕流物體表面的壓力分布 277
8.3.2 平板附面層的速度分布 280
8.4 氣體在噴管中的流動 282
參考文獻 284
第9章 熱輻射 286
9.1 物體的黑度及其測定方法 286
9.1.1 量熱計法 286
9.1.2 正規工況法 288
9.1.3 輻射法 290
9.2 角系數的測定方法 293
9.3 輻射測溫 297
9.3.1 熱輻射測溫的物理基礎 297
9.3.2 輻射式高溫計 298
9.4 輻射熱流計 306
9.4.1 板式輻射熱流計 306
9.4.2 光電式熱流計 307
9.4.3 空心橢球式全輻射熱流計 307
9.4.4 瞬態輻射熱流計 309
9.5 紅外技術和熱像儀 310
9.5.1 紅外測溫儀 310
9.5.2 熱像儀 312
參考文獻 315
第10章 對流換熱的實驗研究 316
10.1 用量熱法測定對流換熱系數 317
10.2 熱-質比擬法測定對流換熱系數 318
10.2.1 熱-質比擬的基本概念 318
10.2.2 萘升華技術比擬對流換熱的實驗研究 319
10.2.3 氨吸收技術比擬對流換熱 322
10.2.4 電化學方法比擬對流換熱 324
10.3 流體自由運動時的換熱 325
10.3.1 大空間自然對流換熱 325
10.3.2 有限空間自然對流換熱 328
10.4 流體受迫流動時的換熱 329
10.4.1 圓管內湍流受迫對流換熱 330
10.4.2 流體縱掠平板時的換熱 333
10.4.3 外部繞流物體的對流換熱 334
10.5 液體沸騰換熱的研究 336
10.5.1 氣泡在加熱面上成長和脫離的研究 337
10.5.2 池內水平表面上的沸騰換熱 338
10.5.3 管內流動沸騰換熱的研究 340
10.5.4 沸騰臨界熱流密度的實驗測量 341
10.5.5 沸騰換熱的強化 343
10.6 蒸汽凝結時的換熱 346
10.6.1 豎壁上蒸汽的膜狀凝結 346
10.6.2 珠狀凝結換熱的研究 348
10.6.3 冷凝換熱的強化 349
10.7 換熱器實驗 350
10.7.1 換熱器傳熱系數的測定 350
10.7.2 換熱器單側換熱系數的測定 353
參考文獻 357
前言
第1章 熱工測試的基礎知識 1
1.1 測量和儀表的基本知識 1
1.1.1 測量概述 1
1.1.2 測量儀表的分類和特性 1
1.2 相似理論和實驗模型 4
1.2.1 相似的基本概念 4
1.2.2 量綱分析和π定理 5
1.2.3 相似理論及其應用 9
1.2.4 定性溫度和特征長度 13
1.3 測量誤差和實驗數據處理 14
1.3.1 測量誤差的基本概念 14
1.3.2 直接測量中隨機誤差的估計 16
1.3.3 間接測量中的誤差分析 23
1.3.4 實驗數據的處理 27
第2章 溫度和溫度場的測量 43
2.1 溫度和溫標 43
2.2 溫度的測量和測溫儀表 45
2.2.1 膨脹式溫度計 45
2.2.2 壓力表式溫度計 48
2.2.3 電阻溫度計 51
2.2.4 熱電偶溫度計 55
2.2.5 光纖溫度計 65
2.2.6 聲波溫度計 67
2.2.7 噪聲溫度計 69
2.3 溫度場的光學測量 70
2.3.1 紋影儀 70
2.3.2 陰影儀 73
2.3.3 干涉儀 74
2.4 測溫技術 77
2.4.1 固體內部溫度測量 77
2.4.2 表面溫度的測量 79
2.4.3 介質溫度測量 83
2.4.4 動態溫度的測量 87
2.5 測溫誤差分析 91
2.5.1 引線的導熱誤差 91
2.5.2 固體內部溫度測量誤差 92
2.5.3 壁面溫度測量誤差 94
2.5.4 測溫管引起的介質溫度測量誤差 100
2.5.5 溫度測量中的輻射誤差 101
2.6 溫度場的電模擬 103
參考文獻 105
第3章 壓力的測量 106
3.1 常用壓力計及其安裝 106
3.1.1 液柱式壓力計 106
3.1.2 彈性式壓力計 111
3.2 流體中的壓力測量 117
3.2.1 靜壓的測量 118
3.2.2 總壓的測量 121
3.2.3 壓力探針的測量誤差分析 122
3.3 測壓傳感器 124
3.3.1 電容式壓力傳感器 124
3.3.2 電感式壓力傳感器 125
3.3.3 電阻應變式測壓傳感器 126
3.3.4 壓電式測壓傳感器 129
3.3.5 霍爾式壓力傳感器 131
3.3.6 力平衡式壓力(壓差)傳感器 132
3.3.7 測壓傳感器的安裝 133
3.4 真空測量 134
3.4.1 基本概念 134
3.4.2 熱偶真空計 134
3.4.3 電離真空計 135
3.4.4 磁控放電真空計 135
3.4.5 放射性電離真空計 137
參考文獻 138
第4章 流速和流量的測量 139
4.1 流速的測量 139
4.1.1 流體速度大小的測量 139
4.1.2 流速測量技術 142
4.2 流量的測量 144
4.2.1 容積式流量測量方法和儀表 145
4.2.2 速度式流量測量方法和儀表 147
4.2.3 壓差式流量測量方法和儀表 154
4.2.4 其他型式的流量計 159
參考文獻 164
第5章 功率、熱流和熱焓的測量 165
5.1 功率的測量 165
5.1.1 電加熱功率 165
5.1.2 熱機功率 166
5.2 熱流的測量 167
5.2.1 傳導型熱流計的工作原理 168
5.2.2 熱流計的標定和測量誤差 169
5.2.3 熱流計的使用 171
5.3 氣流熱焓的測量 172
5.3.1 水冷式總焓探針 172
5.3.2 吸熱式總焓探針 174
5.3.3 高溫熱焓的測量 175
參考文獻 178
第6章 氣液兩相流的測量技術 179
6.1 兩相流體流量的測量 179
6.1.1 節流法 179
6.1.2 分離法 181
6.2 空隙率的測量 184
6.2.1 快關閥法 184
6.2.2 電阻抗法 185
6.2.3 衰減法 185
6.3 濕蒸汽干度的測定 187
6.3.1 分離法 187
6.3.2 節流法 188
6.3.3 加熱法 189
6.3.4 化學法測定蒸汽的濕度 190
6.4 液膜厚度的測量 190
6.4.1 電導探針法 190
6.4.2 熒光強度法 191
6.4.3 全反射法 192
6.5 過程層析成像技術 192
6.5.1 基本原理 193
6.5.2 重建原理 194
6.5.3 在兩相流測量中的應用 194
6.5.4 過程層析成像技術的優缺點 195
參考文獻 195
第7章 工質的熱物理性質及其測定方法 198
7.1 熱物性學概說 198
7.2 比熱容的測定 199
7.2.1 絕熱量熱法 199
7.2.2 水卡計 201
7.2.3 氣體定壓比熱測定儀 202
7.2.4 非絕熱量熱法 203
7.3 導熱系數和導溫系數的測定——穩態法 208
7.3.1 平板法 209
7.3.2 圓管法 214
7.3.3 軸向熱流法 215
7.3.4 圓球法 216
7.3.5 比較法 217
7.4 導熱系數和導溫系數的測定——非穩態法 221
7.4.1 正規工況法 222
7.4.2 準穩態法 226
7.4.3 熱線法 228
7.4.4 恒熱流平面熱源法 230
7.4.5 熱脈沖法 233
7.4.6 3ω法 235
7.4.7 周期熱流法 236
7.5 黏度的測定 238
7.5.1 圓管層流法 240
7.5.2 落球式黏度計 241
7.5.3 旋轉式黏度計 243
7.5.4 恩格勒黏度計 244
7.5.5 毛細管法 245
7.6 絕熱指數的測定 246
7.7 實際氣體p-v-T關系的測定 248
7.7.1 直接法 248
7.7.2 間接法 249
參考文獻 252
第8章 流體流動實驗研究 254
8.1 流動顯示 254
8.1.1 雷諾顯示 254
8.1.2 煙流法—煙風洞 256
8.1.3 粒子圖像測速技術 257
8.1.4 激光誘導熒光技術 258
8.1.5 紋影技術 258
8.1.6 流動層析成像技術 260
8.1.7 全息干涉技術 261
8.1.8 粒子紋影一體化流動顯示技術 263
8.2 流體在管內的流動 273
8.3 風洞實驗 276
8.3.1 絕流物體表面的壓力分布 277
8.3.2 平板附面層的速度分布 280
8.4 氣體在噴管中的流動 282
參考文獻 284
第9章 熱輻射 286
9.1 物體的黑度及其測定方法 286
9.1.1 量熱計法 286
9.1.2 正規工況法 288
9.1.3 輻射法 290
9.2 角系數的測定方法 293
9.3 輻射測溫 297
9.3.1 熱輻射測溫的物理基礎 297
9.3.2 輻射式高溫計 298
9.4 輻射熱流計 306
9.4.1 板式輻射熱流計 306
9.4.2 光電式熱流計 307
9.4.3 空心橢球式全輻射熱流計 307
9.4.4 瞬態輻射熱流計 309
9.5 紅外技術和熱像儀 310
9.5.1 紅外測溫儀 310
9.5.2 熱像儀 312
參考文獻 315
第10章 對流換熱的實驗研究 316
10.1 用量熱法測定對流換熱系數 317
10.2 熱-質比擬法測定對流換熱系數 318
10.2.1 熱-質比擬的基本概念 318
10.2.2 萘升華技術比擬對流換熱的實驗研究 319
10.2.3 氨吸收技術比擬對流換熱 322
10.2.4 電化學方法比擬對流換熱 324
10.3 流體自由運動時的換熱 325
10.3.1 大空間自然對流換熱 325
10.3.2 有限空間自然對流換熱 328
10.4 流體受迫流動時的換熱 329
10.4.1 圓管內湍流受迫對流換熱 330
10.4.2 流體縱掠平板時的換熱 333
10.4.3 外部繞流物體的對流換熱 334
10.5 液體沸騰換熱的研究 336
10.5.1 氣泡在加熱面上成長和脫離的研究 337
10.5.2 池內水平表面上的沸騰換熱 338
10.5.3 管內流動沸騰換熱的研究 340
10.5.4 沸騰臨界熱流密度的實驗測量 341
10.5.5 沸騰換熱的強化 343
10.6 蒸汽凝結時的換熱 346
10.6.1 豎壁上蒸汽的膜狀凝結 346
10.6.2 珠狀凝結換熱的研究 348
10.6.3 冷凝換熱的強化 349
10.7 換熱器實驗 350
10.7.1 換熱器傳熱系數的測定 350
10.7.2 換熱器單側換熱系數的測定 353
參考文獻 357
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熱工測試原理與技術 節選
第1章 熱工測試的基礎知識 1.1 測量和儀表的基本知識 1.1.1 測量概述 按照獲得測量參數結果的方法不同，測量可以分為兩大類。 (1)直接測量。凡*后測量結果是從測量結果單位刻度的儀表指示值上得到的(例如用玻璃溫度計測溫度，用壓力表測壓力)，或者測量就是用實驗的方法，將被測量與選作單位的同類量進行比較，從而確定被測量真值的過程，都屬于直接測量。這通常是通過儀表來實現的。 熱工測量包含兩方面內容：一是對工質熱力學性質和熱物理性質(傳遞特性)的測量；二是對熱工過程中各種熱工參數的測量，這種測量是用標準尺度與被測量進行比較而得到的。例如測量物體的重量和長度，稱為直接測量。 直接測量的方法有以下幾種：①直讀法，用度量標準直接比較或由儀表直接讀出；②差值法，用儀表測出二量之差即為所要求之量，如用熱電偶測溫差、差壓計測壓差等；③代替法，用已知量代替被測量，而兩者對儀表的影響相同，則被測量等于已知量，如用光學高溫計測溫度；④零值法，被測量對儀表的影響被同類的已知量的影響抵消，總的效應為零，則被測量等于已知量，如用電位差計測量電勢；此法準確度*高，但需要較長的時間和精密的儀表。 (2)間接測量。凡是不直接測量被測量，而是利用其他幾個直接測量的結果與被測量之間的函數關系來計算出被測量的量值，都屬于間接測量，如從力矩與轉速的直接測量結果來求得功率等。 1.1.2 測量儀表的分類和特性 熱工儀表的種類繁多，原理、結構也各不相同，但按用途可分為兩大類：一類是范型儀表(或稱標準儀表)，另一類是實用儀表。范型儀表是用來復制或保持測量單位，或用來對各種測量儀表進行校驗和刻度工作的儀表，這類儀表有很高的精度。實用儀表是供實驗測量使用的儀表。 儀表通常是由感受件、顯示件和中間件三部分組成。感受件直接與被測對象相聯系，感受被測參數的變化，并將感受到的被測參數的變化轉換成某一種信號輸出。例如熱電偶，它是把溫度的變化轉換成熱電勢信號輸出。對感受件的要求是輸出信號只隨被測參數的變化作單值的變化，*理想的是線性變化。顯示件是儀表向觀察者反映被測參數變化。根據顯示件的不同，儀表可分為直讀式和記錄式兩類。中間件是將感受件的輸出信號傳輸給顯示件。在傳輸過程中，信號可以被放大、轉換。測量過程實質上是一系列的信號轉換和傳遞過程，在這個過程中，有時也包含著能量的轉換和放大。 判別測量儀表性能的好壞，有下列幾個主要的質量指標。 1. 靈敏度 靈敏度是表征儀表對被測參數變化的敏感程度，其值等于儀表指示部分的直線位移或角位移Δθ與引起這些位移的被測量的變化值ΔM之間的比值S，即 (1-1) 例如，一只溫度表上指針每移動1mm代表1℃，而另一只表上指針每移動2mm代表1℃，則后者具有較高的靈敏度。雖然儀表的靈敏度可以通過放大系統來加大，但是通常也會使讀數帶來新的誤差。對于線性系統來說，靈敏度是個常數。 2. 分辨率(靈敏度限) 分辨率為使儀表指針發生動作的被測量的*小變化，也就是說儀表可以感受的被測量的*小變化值。儀表的靈敏度限較大，其準確度相應較低。一般靈敏度限不應大于儀表允許絕對誤差的一半。 3. 準確度 儀表的準確度是指儀表指示值接近于被測量的真實值的程度，通常用誤差的大小來表示。準確度有時也稱為精度。 若儀表指示值為M，被測量的真實值為μ，則指示值的誤差表示為 (1-2) 上述兩種表示方法中，相對誤差更能說明儀表指示值的準確程度。例如用溫度計測量某介質的溫度，溫度計的讀數為150℃，而介質的真實溫度為153℃，則絕對誤差為–3℃，相對誤差為–2.0%。如果在測量某一固體表面溫度時，絕對誤差也是–3℃，但固體表面真實溫度僅50℃，顯然后者的測量準確度低得多，它的相對誤差達到–6.0%。因此，利用相對誤差能較好地反映測量的準確度。 測量儀表在其標尺范圍內各點讀數絕對誤差的*大值稱為儀表的絕對誤差。它并不能用來判斷儀表的質量，因為即使兩只儀表的絕對誤差一樣，但兩儀表的標尺范圍不同，標尺范圍大的那只儀表顯然具有較高的準確度。所以判斷儀表質量常常采用儀表的相對折合誤差，即儀表的準確度來表示。 (1-3) 例如，一只量程為0～50Pa的壓力表，在其標尺各點處指示值的*大絕對誤差為1Pa，則儀表的準確度為±2%。 儀表的準確度是儀表的一個重要技術性能。為此，國家按相對誤差的大小，統一劃分為七個準確度等級，即0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級、2.5級、4.0級。準確度等級是儀表在指定條件下允許的*大相對誤差。例如，準確度等級為1.0級的儀表，其允許誤差不超過±1%，也就是說該儀表各點處指示值的誤差不超過其量程范圍的±1%。 準確度等級相同的儀表，量程越大，其絕對誤差也越大。所以在選擇使用時，在滿足被測量的數值范圍的條件下，應選用量程小的儀表，并使測量值在滿刻度的三分之二處。例如，有兩個準確度級為1.0級的溫度表，一個量程為0～50℃，另一個為0～100℃，用這兩個溫度表進行測量時，如讀數都是40℃，則儀表的測量誤差分別為 儀表的準確度等級一般標在儀表的銘牌上。 4. 復現性 儀表在同一工作條件下對同一對象的同一參數重復進行測量時，儀表的讀數不一定相同。各次讀數之間的*大差數稱為讀數的變化量。變化量越小，儀表的復現性越好。 5. 動態特性 動態特性為儀表對隨時間變化的被測量的響應特性。動態特性好的儀表，其輸出量隨時間變化的曲線與被測量隨同一時間變化的曲線一致或比較接近。一般儀表的固有頻率越高，時間常數越小，其動態特性越好。 為了得到可靠的測量結果，首先必須掌握儀表本身的工作性能。在實驗室里檢定、實驗和分度確定儀表的工作性能是計量工作的三種基本工作。這三種基本工作是儀表在出廠前都應當進行的。儀表在使用過程中還必須定期到國家規定的標準計量機構進行檢驗，以確保儀表在可靠狀態下進行工作。 1.2 相似理論和實驗模型 為了研究熱工過程的一些基本規律，如溫度分布、速度分布和流動阻力特性等，需要在實際的熱工設備中進行實驗研究。但是由于經濟上和技術上的限制，對實物進行實驗通常是行不通的，所以絕大部分的研究和測試是在實驗室中通過模型進行的。例如航空工程中的飛機模型、熱工過程中的窯爐模型、水利工程中的水壩模型等都是模型研究成功的例子。對于模型的實驗研究，必須解決如何建立實驗模型、如何安排實驗及如何把模型的實驗結果換算到實物上去等一系列的問題。 在熱工理論研究的范圍內，實際存在的流動和傳熱過程稱為原型，在實驗室內進行重演或預演的流動和傳熱過程稱為模型。通常，我們希望在模型上進行實驗，所得到的結果能夠準確地預測實物(原型)上所發生的過程和各個物理量的變化，這樣將大大節省人力、物力和時間。而且，在實驗室中進行實驗、控制和測試都可以比較容易地實現。下面討論的相似理論是我們考慮實驗方案、設計模型、組織實驗以及整理實驗數據和把實驗結果推廣到原型上去的理論依據。 1.2.1 相似的基本概念 相似的概念*早出現在幾何學里。*簡單的相似就是幾何相似。所謂幾何相似就是模型的邊界形狀與原型的邊界形狀相似。設L代表原型的特征尺度，l代表模型的特征尺度，則幾何相似要求滿足 (1-4) 即滿足幾何相似的兩個物體其各對應邊互成比例，且比例常數CL都相等。 幾何相似的概念可以推廣到任何一種物理現象。例如兩種流體運動之間的相似，稱為運動相似；溫度場或熱流之間的相似可以稱為熱相似。那么，兩個物理現象之間的相似要求滿足什么條件呢？首先，物理現象之間的相似只適用于同類現象，不僅要現象的性質相同，而且描述該現象的微分方程也相同。只是微分方程相同而性質不同的現象只能說是類似的，而不是相似。例如導熱和擴散現象就只能是類似的。其次，物理現象的相似必須滿足幾何相似的條件，也就是說，相似現象只有在幾何相似的體系中才會發生。再次，在分析相似現象時，只有同一種物理量才能進行比較，而且僅限于空間上相對應的點和時間上相對應的瞬間。顯然，能比較的量具有相同的量綱。*后，兩個物理現象之間的相似，意味著表征該現象的一切物理量在對應的空間和對應的時間彼此都相似，即**個現象的任何一種量和第二個現象的同類量在空間中相應的各點和時間上相應的瞬間滿足 (1-5) 式中，稱為相似常數，它的大小與坐標和時間無關。 綜上所述，彼此相似的現象實際上可以看成是尺度不同的同一現象，它們可以用同樣的微分方程式來描述。例如，各種流體動力學過程可以用連續性方程和Navier-Stokes方程來描述，流體對流換熱過程可以用上述兩方程以及能量守恒方程和邊界條件來描述，這些方程組適用于該類現象的普遍情況。 相似準則是由若干物理量構成的無因次數群，可以反映一個物理過程的基本特征。相似準則在相似理論中具有重要意義，對于可以用微分方程來描述的各種物理現象，它們的相似準則可以用微分方程式來導出。此時只要將描述某一物理現象的基本方程組及全部單值性條件，通過方程組中各物理量的相似倍數，轉換為另一相似物理現象的基本方程組及相應的單值性條件，就可以得到若干個相似準則。對于那些尚無法用微分方程式來描述的物理現象，可以通過下節討論的量綱分析方法來導出無因次相似準則。 1.2.2 量綱分析和π定理 1. 量綱分析 量綱表示物理量的類別，如長度、質量、時間和力等稱為物理量的量綱。同一類物理量具有不同的測量單位，如公里、米、英里是長度一類物理量的單位，它們都具有長度的量綱。在國際單位制中，以長度、質量和時間作為基本量綱，它們分別用[L]、[M]、[T]來表示。其他各物理量的量綱，可以用基本量綱的不同指數冪的乘積來表示，例如 顯然，不同量綱的物理量不能相加減。方程式中各項的量綱必須一致，數值則可隨選用的度量單位而變動，但公式的形式不隨所采用的計算單位而改變。 量綱分析法也稱為因次分析法，是利用上述量綱的基本概念來尋求物理現象中各量之間函數關系的一種方法，也是獲得物理現象相似準則的一種實用方法。 假定某個物理現象可以用一個變量冪的乘積來表示，即 (1-6) 式中，x1、x2、、xn及y為影響該物理量的各種互相獨立的因素，他們相應的量綱分別為 (1-7) 式中，A、B、C為基本量綱。由量綱一致性可知，各變量xi的指數ki必須滿足下列方程組： (1-8) 這就是量綱一致性方程組。解這個方程組便可得到指數k1、k2、、kn的值。若指數ki的數目n多于式(1-6)中方程式的個數(即基本量綱數m)，則有(n–m)個指數可以用其他指數值的函數來表示。 量綱分析方法的具體步驟如下。 (1)找出影響一物理現象的所有獨立的變量(物理量)，假定一個函數關系(變量冪的乘積關系)。這一步是量綱分析是否能得出正確結果的關鍵。 (2)將各物理量的量綱用基本量綱表示，列出量綱公式。 (3)建立量綱一致性方程組，聯立求解各物理量的指數。 (4)代入假定的函數關系式，并進行適當的組合簡化。 (5)通過模型實驗，驗證公式的形式是否正確，并求出公式中的待定常數，建立該現象的經驗公式。 下面通過流體縱掠平板傳熱系數的典型例子來說明量綱分析方法的應用。 假定傳熱系數h與來流速度u∞、板長l、流體導熱系數λ、動力黏度μ、比熱容cp和密度ρ等物理量有關，則 (1-9) 寫成乘積形式為 (1-10)
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