声速的测定教案

第一篇：声速的测定教案

大学物理实验教案

实验名称：空气中声速的测定

1、实验目的

（1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。（2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。（3）学会用逐差法处理数据。

2、实验仪器

超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B、示波器ST16B。

3、实验原理

3．1 实验原理

声速V、频率f和波长λ之间的关系式为Vf。如果能用实验方法测量声波的频率f和波长λ，即可求得声速V。常用的测量声速的方法有以下两种。

3．2 实验方法

3．2．1 驻波共振法（简称驻波法）

S1发出的超声波和S2反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。

驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中，S1、S2即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为：

Ln,n1,2,32（1）

即当S1和S2之间的距离L等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当L不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。

移动S2，可以连续地改变L的大小。由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即

S2所移过的距离为：

LLn1Lnn12n22（2）

可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L改变了2。此距离2可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据Vf，就可求出声速。

3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法）

在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。其轨迹方程为：

XY2XYCos21Sin221A1A2 A1A2（5）

在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。当相位差22210时，由（5）式，得yA2xA1，即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线[参见图16—2(a)]。

2yx121222时，得A1A2当，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆 2当21时，得

yA2xA1，轨迹为处于第二和第四象限的一条直线。

改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接受波之间的相位差（21），荧光屏上的图形也随之变化。显然，L每变化半个波长（即LLn1Ln)2，位相差就变化。随着振动相位差从0→的变化，李沙如图形就按图16——2(a)→（b）→(c)变化。因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线。测得波长和频率f，根据Vf，就可计算出声速。

4、教学内容

（1）熟悉声速测定仪

该仪器由支架、游标卡尺和两只超声压电换能器组成。两只超声压电换能器的位置分别与游标卡尺的主尺和游标相对定位，所以两只换能器相对位置距离的变化量可由游标卡尺直接读出。

两只超声压电换能器，一只为发射声波用（电声转换），一只为接收声波（声电转换），其结构完全相同。发射器的平面端面用以产生平面声波；接收器的平面端面则为声波的接收面和反射面。压电换能器产生的波具有平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时可以控制频率在超声波范围内，使一般的音频对它没有干扰。

（2）驻波法测量声速

1）按图接好线路，把换能器S1引线插在低频信号发生器的“功率输出孔”，把换能器S2接到示波器的“Y input”。

2）打开电源开关，把频率倍乘按钮×10K压入，调节幅度电位器，使数码显示屏读数5--8V电压,电压衰减按钮为20dB；波形选择为正弦波（弹出状态）。

3）压入示波器电源开关，把示波器Y衰减开关VOLTS/DIV置0.5v档，Y输入方式置AC位。扫描档TIME/DIV为20us，触发源（触发TRIG）选择“内同步INT”；触发方式为“自动”。

4）移动S2位置，目测S1与S2的距离为3cm左右，调整低频信号发生器的“频率调节”波段开关，调节频率微调电位器，使数码显示屏的频率读数为34.000—36.000KHz范围。观察示波器，当屏幕的波形幅度最大时，说明换能器S1处于共振状态。记下频率f值（实验过程中，频率f不许改变，否则影响实验数据）。

5）示波器荧幕的波形若不在中央，可调节垂直或水平位移电位器；波形太小（可能不稳定）或太大，可调节Y增益电位器VARIABLE，使波形幅度适中。

6）注意：实验过程中不要用手触摸两个换能器，以免影响测量精确性。

7）向右稍移S2，并调整游标卡尺的微调螺丝，同时观察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超过屏幕，可调整Y增益VARIABLE，使波形满屏。记下S2的初始位置L0。8 由近至远慢慢移动接收器S2，逐个记下九个幅度最大的位置（即Li值）。（3）相位法测声速 1）把示波器触发方式选择“外接”。

2）把示波器的“Y input”接超声波测速仪的接收器S2,示波器“X输入”联接到低频信号发生器的电压输出（不能接同步输出）。

3）把S2调回距S1大约3cm，移动接收换能器S2，调节游标卡尺微调螺丝，同时观察示波器的图形变化，使图形为“/”，记下S2初始位置LO。

4）由近至远，慢慢移动S2,并注意观察图形变化，逐下记下每发生一次半周期变化（即图形由“/”直线变到“”直线）接收换能器S2的位置读数Li值，共测十个数据。

5）实验完毕，关掉电源，整理好仪器。

5、实验教学组织及教学要求

（1）教学组织

1）检查学生的预习实验报告，同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器，对本实验有一定的感性认识。

2）讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生对实验原理的理解。

3）随时注意学生的实验操作过程，及时指导解决学生实验中出现的突发情况。4）检查每个学生的实验数据，记录实验情况。（2）教学要求

1）能够利用以前学过的示波器使用方法设计本实验有关示波器的调节步骤； 2）能够理解驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度的原理； 3）要求能够理解影响声波传播速度的几个因素；准备报道实验结果。

6、实验教学重点及难点

1）重点：掌握用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。进一步熟练掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。

2）难点：独立设计本实验有关示波器的调节步骤；准确判断是否形成驻波。

7、实验中容易出现的问题

1）换能器未达到共振状态就记录声波频率；

2）待测声波在两个换能器之间并未形成驻波，就开始进行测量； 3）记录实验数据时漏掉室温。

8、实验参考数据

1）驻波法测量声速

共振频率f=34.583KHz

表1 驻波法测量波长的测量数据

次序 Li103mm

93.72 98.84 104.02 109.22 114.38 次序

Li103mm

119.54 124.70 129.90 135.02 140.18

Li5Li103mm vLI5Li103mm

25.82 25.86 25.88 25.80 25.80

0.012 0.028 0.048 0.032 0.032 1 2 3 4 5 7 8 9 10 逐差法处理表1数据 标准偏差SLI5Li152vLi5Lin1i1=0.036mm

CnSLi5Li1.650.0360.06vLI5LiuBm30.0230.012mm

合成不确定度为

222222uLI5LIuAuBSLu0.0360.0120.038(mm)LBi5i

3频率f不确定度声速V的相对不确定度

EV(uff)(2ufmf0.34630.2(HZ)

uLI5LiLi5Li)2(0.220.0382)()0.0060.6%34.58325.832

声速的计算

V 22f(Li5Li)34.58325.832357.34(m/s)55

声速V不确定度为

uVVEV357.340.0063(m/s)

室温时声速结果表达式：

VVuV357.340.006(m/s)(p0.683)EV0.6%

2）相位法测量声速

参考驻波法。

9、实验结果检查方法

1）声波的频率值是否与实验中所用换能器的共振频率值相符； 2）形成相邻两个驻波时的接收换能器位置合理；

3）相位法中，图形由“/”直线变到“”直线，或由“”直线变到“/”直线，接收换能器S2的位置读数合理。

10、课堂实验预习检查相关题目

1）如何调节示波器使其能用来观察某电信号的波形？ 2）如何判断换能器是否共振？ 3）如何正确读取换能器的位置？

4）如何利用示波器观察两个相互垂直的电信号的合成图形？

11思考题

1）为什么需要在驻波系统共振状态下进行声速的测量？

2）是否可以用上述方法测量声波在液体或固体中的传播速度？如何进行？

3）用驻波法测量声速时，改变S1和S2之间的距离时，示波器上的波形振幅有时极大有时极小。说明极大或极小时，接收器S2是处于波腹还是波节位置？

第二篇：声速的测定实验报告

声速的测定实验报告

1、实验目的

（1）学会用驻波法和相位法测量声波在空气中传播速度。（2）进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法。（3）学会用逐差法处理数据。

2、实验仪器

超声声速测定仪、低频信号发生器DF1027B、示波器ST16B。

3、实验原理

3．1 实验原理

声速V、频率f和波长λ之间的关系式为Vf。如果能用实验方法测量声波的频率f和波长λ，即可求得声速V。常用的测量声速的方法有以下两种。

3．2 实验方法

3．2．1 驻波共振法（简称驻波法）

S1发出的超声波和S2反射的超声波在它们之间的区域内相干涉而形成驻波。当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，此驻波的振幅才达到最大值，此时的频率为共振频率。

驻波系统的固有频率不仅与系统的固有性质有关，还取决于边界条件，在声速实验中，S1、S2即为两边界，且必定是波节，其间可以有任意个波节，所以驻波的共振条件为：

Ln,n1,2,32（1）

即当S1和S2之间的距离L等于声波半波长的整数倍时，驻波系统处于共振状态，驻波振幅最大。在示波器上得到的信号幅度最大。当L不满足（1）式时，驻波系统偏离共振状态，驻波振幅随之减小。

移动S2，可以连续地改变L的大小。由式（1）可知，任意两个相邻共振状态之间，即

S2所移过的距离为：（2）

可见，示波器上信号幅度每一次周期性变化，相当于L改变了2。此距离2可由超声声速测定仪上的游标卡尺测得，频率可由低频信号发生器上的频率计读得，根据Vf，就可求出声速。

3．2．2 两个相互垂直谐振动的合成法（简称相位法）

在示波器荧光屏上就出现两个相互垂直的同频率的谐振动的合成图形——称为李沙如图形。其轨迹方程为： LLn1Lnn12n2XY2XYCos21Sin221A1A2 A1A2（5）

在一般情况下，此李沙如图形为椭圆。当相位差22210时，由（5）式，得yA2xA1，即轨迹为一条处在于第一和第三象限的直线[参见图16—2(a)]。

2yx121222时，得A1A2，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆 当

2当21时，得

yA2xA1，轨迹为处于第二和第四象限的一条直线。

改变S1和S2之间的距离L，相当于改变了发射波和接受波之间的相位差（21），荧光屏上的图形也随之变化。显然，L每变化半个波长（即LLn1Ln)2，位相差就变化。随着振动相位差从0→的变化，李沙如图形就按图16——2(a)→（b）→(c)变化。因此，每移动半个波长，就会重复出现斜率符号相反的直线。测得波长和频率f，根据Vf，就可计算出声速。

4、实验内容

（1）熟悉声速测定仪

该仪器由支架、游标卡尺和两只超声压电换能器组成。两只超声压电换能器的位置分别与游标卡尺的主尺和游标相对定位，所以两只换能器相对位置距离的变化量可由游标卡尺直接读出。

两只超声压电换能器，一只为发射声波用（电声转换），一只为接收声波（声电转换），其结构完全相同。发射器的平面端面用以产生平面声波；接收器的平面端面则为声波的接收面和反射面。压电换能器产生的波具有平面性、单色性好以及方向性强的特点。同时可以控制频率在超声波范围内，使一般的音频对它没有干扰。

（2）驻波法测量声速

1）按图接好线路，把换能器S1引线插在低频信号发生器的“功率输出孔”，把换能器S2接到示波器的“Y input”。

2）打开电源开关，把频率倍乘按钮×10K压入，调节幅度电位器，使数码显示屏读数5--8V电压,电压衰减按钮为20dB；波形选择为正弦波（弹出状态）。

3）压入示波器电源开关，把示波器Y衰减开关VOLTS/DIV置0.5v档，Y输入方式置AC位。扫描档TIME/DIV为20us，触发源（触发TRIG）选择“内同步INT”；触发方式为“自动”。

4）移动S2位置，目测S1与S2的距离为3cm左右，调整低频信号发生器的“频率调节”波段开关，调节频率微调电位器，使数码显示屏的频率读数为34.000—36.000KHz范围。观察示波器，当屏幕的波形幅度最大时，说明换能器S1处于共振状态。记下频率f值（实验过程中，频率f不许改变，否则影响实验数据）。

5）示波器荧幕的波形若不在中央，可调节垂直或水平位移电位器；波形太小（可能不稳定）或太大，可调节Y增益电位器VARIABLE，使波形幅度适中。

6）注意：实验过程中不要用手触摸两个换能器，以免影响测量精确性。

7）向右稍移S2，并调整游标卡尺的微调螺丝，同时观察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超过屏幕，可调整Y增益VARIABLE，使波形满屏。记下S2的初始位置L0。8 由近至远慢慢移动接收器S2，逐个记下九个幅度最大的位置（即Li值）。（3）相位法测声速

1）把示波器触发方式选择“外接”。

2）把示波器的“Y input”接超声波测速仪的接收器S2,示波器“X输入”联接到低频信号发生器的电压输出（不能接同步输出）。

3）把S2调回距S1大约3cm，移动接收换能器S2，调节游标卡尺微调螺丝，同时观察示波器的图形变化，使图形为“/”，记下S2初始位置LO。

4）由近至远，慢慢移动S2,并注意观察图形变化，逐下记下每发生一次半周期变化（即图形由“/”直线变到“”直线）接收换能器S2的位置读数Li值，共测十个数据。5）实验完毕，关掉电源，整理好仪器

5、实验参考数据

1）驻波法测量声速

共振频率f=34.583KHz

表1 驻波法测量波长的测量数据

次序 Li103mm

93.72 98.84 104.02 109.22 114.38 次序

Li103mm

119.54 124.70 129.90 135.02 140.18

Li5Li103mm vLI5Li103mm

25.82 25.86 25.88 25.80 25.80

0.012 0.028 0.048 0.032 0.032 1 2 3 4 5 7 8 9 10 逐差法处理表1数据

152SLLvLi5LiI5in1i1标准偏差=0.036mm CnSLi5Li1.650.0360.06vLI5Li

uBm30.0230.012mm

合成不确定度为

222222uLI5LIuAuBSLu0.0360.0120.038(mm)LBi5i

3频率f不确定度声速V的相对不确定度

EV(uff)(2ufmf0.34630.2(HZ)

uLI5LiLi5Li)2(0.220.0382)()0.0060.6%34.58325.832

声速的计算

V 22f(Li5Li)34.58325.832357.34(m/s)55

声速V不确定度为

uVVEV357.340.0063(m/s)

室温时声速结果表达式： VVuV357.340.006(m/s)(p0.683)EV0.6%

2）相位法测量声速

参考驻波法。

6.结论：1)实验测量结果与理论值接近，是误差允许范围。2）相位法测量优于驻波法测量。

7.误差分析：1）共振频率的不稳定。2）换能器的不完全平行。3）示波器上振幅极大值的不稳。4）随着换能器的距离的增加能量会有减弱。5）测量时会含有回程差。

第三篇：传热系数K的测定(教案)

化工原理实验教案

实验四

换热系数K的测定

实验四

换热系数K的测定

一、实验目的

1、了解间壁式传热元件的研究和传热系数测定的实验组织方法。

2、掌握借助于热电偶测量进出口温度的方法

3、学会传热系数测定的试验数据处理方法

4、了解影响传热系数的因素和强化传热的途径

二、实验任务

1、在空气－水列管换热器中，测定两个不同水流量时一系列空气流量条件下冷、热流体进出口温度。

2、通过热量衡算方程式和传热速率方程式计算总传热系数的实验值。

三、实验原理

间壁式传热装置的传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，它是由热流体热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热过程所组成。在定态条件下，并忽略壁面内外表面的差异，则各环节的热流密度相等，即：

QTTwTwtwtwtq11 Ahc则： q1h1Tt推动力1c阻力

1式中 h、、分别为各传热环节对单位传热而言的热阻，工程上通常将c其写为Q=KA(T-t)，那么换热系数为：

K1h11c

由于冷流体的温度沿加热面是连续变化的，且此温度差与冷、热流体温度成线形关系，故将推动力（T－t）用换热器两端温差的对数平均温差表示，即：Q=KA△tm（1）。对于一定态双管程列管换热器，热流体走壳程，体积流量为Wh，进口温度为T1，出口温度为T2；冷流体走管内，体积流量为Wc，进口温度为t1，出口温度为t2，热流体放出的热量等于冷流体得到的热量，即：

化工原理实验教案

实验四

换热系数K的测定

Q=WcρCpc(t2-t1)= WhρCph(T1-T2)则，Q=KA△tm＝ WcρCpc(t2-t1)即：

KWcCpc(t2t1)Atm

式中：A由换热器的结构参数而定，冷流体的体积流量Wc通过流量计测定，热流体进口温度T1和出口温度T2，冷流体的进口温度t1和出口温度t2，均由温度计测定，Cpc由冷流体的进出口平均温度决定。

四、实验装置和流程

五、实验步骤

1、打开装置总控制开关；

2、缓慢打开冷却水转子流量计阀门，调节冷水流量为40L/h；

3、先打开空气流量调节阀门（旁通阀），再启动风机（为什么？－）；

4、调节旁通阀的开度，使空气流量为10 L/h；

5、打开气体加热器的加热电源，调节加热电压控制热空气进口温度恒定在120～130之间任何某一刻度，待冷、热流体出口温度显示值保持10min以上不变时采集实验数据；保持冷水流量为40L/h，在空气流量分别为15、20、25L/h条件下采集相应实验数据，化工原理实验教案

实验四

换热系数K的测定

6、调节冷水流量为20L/h，在空气流量分别为10、15、20、25L/h条件下采集实验数据。

7、实验结束时，先关调压变压器开关，停止加热，将冷却水和空气流量调至最大，将装置冷至室温后，再将其流量调至最小，关闭总水阀和气泵；

8、上机处理实验数据，并打印处理结果，每小组打印一份。

六、思考题

1、启动风机前为什么要打开旁通阀？

2、为何要先打开热空气流量计阀门，再打开电源加热？

3、在整个实验过程中，如何控制热空气进口温度恒定？

七、注意事项

1、启动风机前先打开旁通阀。

2、先打开空气流量计阀门，再打开电源加热。

3、在整个实验过程中，通过调节加热电压控制热空气进口温度恒定在120～130之间任何某一刻度。

4、待冷、热流体出口温度显示值保持10min以上不变时方可同时采集实验数据。

八、作业

1、上机处理数据，并打印处理结果，每小组打印一份。

2、完成实验报告，应包含：实验目的、实验原理、实验流程、实验步骤、原始数据、计算示例，讨论等，其中对计算示例，同一小组同学不得采用同一组数据处理。

第四篇：X-51及高超声速飞行器简介

美国X-51A飞行器及总体设计及其关键技术简介

Xxx

摘要：从计划的背景、飞行器的构造、热防护材料研发测试以及实际飞行试验等方面对X-51A的发展计划作了较为详细的介绍,并据此对美国发展高超声速飞行技术的研究流程和理念有个一定的了解与认识。

关键词：X-51A 高超声速导弹 热防护系统

结构材料 飞行器

引言：美国自二十世纪九十年代启动“全球敏捷打击”计划以来，一直处于低速发展过程中，该计划近期开始迅速升级，从改造“三叉戟”导弹开始，美国正推出一系列先进攻击武器概念，包括飞机、无人机和导弹。其中，X-51高超声速巡航导弹是美国武器库目前速度最快的全球打击武器，可以在一小时内攻击地球上任一目标。项目概况

巡航导弹在美国武器系统中具有特殊的地位，在未来信息化战争中，巡航导弹不要要成为首选的打击武器，也是美军实行远程军事打击的必备武器。

美国于20世纪90年代启动的“全球敏捷打击”计划自推出以来一直处于低速发展过程中,直至近年该计划开始迅速发展。美国从改造三叉戟导弹开始,陆续推出一系列的先进攻击武器概念,包括新一代的飞机、无人机和导弹。

X-51A计划是由美国空军研究试验室(AFRL)、国防高级研究计划局(DARPA)、NASA、波音公司和普惠公司联合实施的旨在验证高超声速飞行能力的计划。终极目标是发展一种马赫数达到5~7的可以在1 h内进行全球打击的武器,包括快速响应的空间飞行器和高超声速巡航导弹。X-51A于2010年2月中旬进行了首次高超声速飞行试验。

X-51A的首飞创造了又一个人类历史记录 — — —超燃冲压发动机推进的历时最长的高超声速飞行,刷新了 X2 43创造的 12 s的记录。X2 51A首飞的成功意味着 , 超燃冲压发动机将提供一种全新的快速全球打击能力。据称,该高超声速导弹将能够在 60 min内实施全球打击。美国国防部 /NASA的 X2 51A项目则是这一新型武器系统方案的关键部分。X2 51A的飞行试验对于空间进入、侦察、打击、全球到达以及商业运输等都有重要意义。X-51A计划的背景

美国空军认为,高超声速推进技术是美国亟须发展的关键领域之一,为了达到这一目的,必须走“阶梯式发展”的道路。1979年首次发射的先进战略空射导弹(ASLAM)是早期的高超声速导弹,它使用高速冲压发动机实现了马赫数为5.5的飞行,虽然达到了高超声速,但由于冲压发动机的燃烧是在亚声速状态下进行,效率非常低。解决这一问题的方法是使用超燃冲压动机,于是X-51A计划应运而生。

20世纪90年代中期,国家空天飞机(NASP,NationalAerospace Plane)计划终止后,美国空军转而投资HyTech(Hypersonic Technology)计划以延续其对高超声速技术的研究。2004年1月, AFRL选择波音公司与普惠公司共同制造SED-WR的验证机,由波音公司制造机身,普惠公司生产发动机。2005年9月,美国空军正式将该计划编号为X-51A。X-51A计划的主要目的之一是对美国空军的HyTech超燃冲压发动机进行飞行试验。这种发动机使用吸热型碳氢燃料,能将飞行器的飞行马赫数从4.5提升到6.5。

但是，高超声速技术有几大难点：新动力装置的制造及新燃料的选择；动力装置和飞行器机体的连接；新型耐高温材料的研制；飞行器各子系统和整体控制系统的研究。X-51A飞行器的整体构造

X-51A飞行器的整体构造如图1所示,它是由巡航体、级间以及助推器三部分组成,整个飞行器长7.62 m,质量1 780 kg,最大宽度为584.2 mm,其中巡航体长4.27 m,质量为671 kg。X-51A的主体部分是在金属材料的基本结构外覆盖着轻质TPS泡沫与陶瓷材料。机体部分的框架板壁等由铝制成。前鼻端内部是金属钨,外部则是二氧化硅隔热层,其作用是承受飞行器头部高强度的气动热载荷,并实现纵向配平,以保证飞行器的纵向稳定性。巡航体与机体的过渡部分采用了铬镍铁合金,目的是阻止热量传导到飞行器的其余部分。巡航体与级间部分的蒙皮,包括助推器的四个全动尾翼均为铝制。此外,为了在推进段保持稳定,助推器上还另外安装了两个铝制的水平尾翼。超燃冲压发动机的舱壁则是用由燃料冷却的薄壁铬镍铁合金板制成,巡航体的四个可动小翼除在前缘采用了碳-碳复合热结构材料外,也均使用铬镍铁合金制成。整个飞行器仅在级间部分的某些结构以及助推器的尾锥上使用了钛合金。助推器的外表面仍由钢制成,不过钢质的尾喷管被加长了以获得更大的膨胀率,从而提高性能。

X-51A SED的主要设计工作是运用经风洞试验数据验证的计算工具来完成的。它用CART3D软件计算所得的欧拉解以及OVERFLOW软件计算得到的Navier-Stokes解建立起了全面的空气动力学数据库,在约80多套网格上运行了近2 000个算例,用以对安全分离、气动加热、飞行器性能、边界层转捩以及尾翼偏转等各个方面进行研究。同时,对整个飞行器及巡航体进行了超过1 700 h、3 200余次风洞试验,利用试验结果验证并完善了数据库。

4超燃冲压发动机

高超声速武器引起速度极大，必然需要有强大动力性能的发动机，美国空军一直致力于超然发动机的研究。X-51验证机的一个重要任务就是对超然发动机的性能参数进行验证。超燃(超声速燃烧)冲压发动机是冲压发动机的一种,它的特征是吸入发动机燃烧室内的空气流的速度为超声速,而普通冲压发动机内气流速度为亚声速。超燃冲压发动机的基本组成包括:进气压缩管(由于飞行器的高速飞行,吸入的空气受到压缩),燃烧室(燃料与压缩空气混合,燃烧),喷嘴(通过它以高于进气口空气流的速度排出燃烧产物,产生推力)。冲压发动机是靠吸入的空气流作为助燃剂工作。进入超燃冲压喷气发动机的空气流的速度是超声速,因而会产生一定的冲击波,如何实现不打乱、不中断吸入的空气流,并保持发动机不熄火连续有序地工作,这正是超燃冲压发动机要解决的难题。在超声速环境下把空气流的速度降低后再进入冲压喷气发动机,将限制发动机最终的运转速度。另一方面,产生的冲击波会压缩空气流,使进入发动机的空气流的速度达到高超声速,经过适当的隔离器调节后挤进燃烧室的气流将获得相对稳定的压力,实现更完全的燃烧。进入燃烧室的压缩气流与注入的燃料混合、点火、燃烧,然后通过喷嘴将燃烧后的产物以高于入口处空气的速度排出,从而产生前进的推力。5.飞行器热防护系统

X-51飞行器首次突破了高超声速飞行热障碍，因加速后可达到马赫数5~7，与大气的摩擦可产生大量的热，如果不采取恰当的热防护措施，飞行器性能必定会受巨大影响甚至烧毁。为此X-51飞行器采取了一系列措施。5.1防护材料

X-51A的主体部分用金属材料制造,基本结构外覆盖烧蚀泡沫FRSI与热障陶瓷BRI-16。为阻止热量传导到飞行器的其余部分,弹头与弹体的过渡部分采用铬镍铁合金制造。巡航弹体部分的框架、板壁以及导弹弹体与级间部分的蒙皮、包括推进器推进器的尾锥上使用钛金属材料,推进器的外表面用钢制造,如图3所示。X-51A飞行器为了承受巡航导弹头部高强度的

气动热载荷,实现纵向配平,以保证导弹的纵向稳定性,飞行器前鼻端使用金属钨制造,外覆二氧化硅(SiO2)隔热涂层。5.2 发动机热防护结构

X-51A飞行器的超燃冲压发动机使用常规燃料JP-7作为冷却剂。发动机进气道入口之前的斜面上涂覆二氧化硅(SiO2)陶瓷瓦,超燃冲压发动机的舱壁用铬镍铁合金板制成,发动机舱内部装有柔性可重复使用的表面隔热(Flexible Reusable Surface Insula-tion, FRSI)材料,以阻隔发动机对弹体的热辐射。5.3 飞行器热防护系统

X-51A飞行器采用被动热防护系统,热防护材料主要为泡沫和陶瓷瓦。陶瓷瓦是波音公司研制的可重复使用隔热陶瓷瓦BRI-16,陶瓷瓦用在机体脊部需要尖锐前缘的部分和进气道斜面上。陶瓷瓦粘贴到变形隔离垫上,变形隔离垫会吸收因陶瓷瓦和下面铝蒙皮膨胀率差异而引起的变形。飞行器的上表面(大面积区域)采用FRSI进行热防护, FRSI上面覆盖着一层由波音公司研制的轻质变厚度烧蚀(BLA-S)泡沫。

6.飞行试验计划

X-51A的飞行试验包括四次飞行,预计自2009年8月开始。X-51A由B-52H轰炸机携带升空,自母机投放后经火箭推进至超燃冲压发动机的工作高度及飞行马赫数,然后超燃冲压发动机点火,将飞行器由马赫数4.5加速到6的巡航速度。X-51A挂载于B-52H的左翼下,投放前与B-52H上的监测设备保持通讯,并通过电缆自母机获得电力供应。在通过各项飞行安全审核后,飞行试验计划于2009年初开始实施。4月至5月进行地面测试,并根据测试结果于5月进行第一次飞行前的审核, 6月进行X-51A的挂载测试, 7月由B-52H携带X-51A做一次彩排飞行。X-51A的第一次自由飞试验安排在2009年8月,第二次计划于8周后进行,第三与第四次飞行则分别于11月和12月进行,后三次飞行试验的间隔时间均为6周,计划将于2010年结束。

7.x-51飞行器前景及对我国国防事业的启示

X-51A代表了航空技术的最前沿，一旦投 入使用，它将实现快速全球打击计划的目标 两 小时到达世界任何地方，虽然目前X-51A离实 战化还有很远的距离，但我们必须对高超声速 飞行器加以足够的重视，必须将发展高超声速 武器纳入武器装备发展的长远目标 具体而言，可从以下方面入手

（1）高超声速技术的研究试验计划是一项复杂的系统工程，我们应该借鉴美国的技术研究方向，同时坚持自主创新，以在将来的信息化战争中不处于劣势；（2）必须进行深入的设计及需求论证以确 立对高超声速武器系统的作战需求，并确定具 体的设计目标；（3）应加强相关技术研究领域的投入和教育的改革，为我国国防事业培养更多的优秀人才，担负未来保卫国家安全的职责 参考文献：

[1] Hellman Barry M，Hartong Alicia R．Conceptual level off-design scramjet performance modeling[R]．AIAA 2007-5031,2007.[2] Kandebo S W．Landmark tests boost scramjets future, testing key to scramjet success[J]．Aviation Week & SpaceTechnology，2001-03-26.[3] Faulkner R F, Weber J W.Hydrocarbon scramjet propulsion system development demonstrati on, and application[R]．AIAA-99-4922，1999.[4] Hank Joseph M，Murphy James S，Mutzman Richard C．The X-51A scramjet engine flight demonstration program[R]．AIAA2008-2540，2008.[5] 宫朝霞，李文杰．ATC M框架下的美国高速/高超声速研发计划[J]．飞航导弹，2008(3)．

6] 宋博，沈娟.美国的X-51A高超声速发展计划[J].飞航导弹，2009（5):24-27.[7] 沈剑，王伟.国外高超声速飞行器研制计划[J].飞航导弹，2006（8):1-9.[8] 宫朝霞，李文杰.美国NAI的高速与高超声速科技计划[J].飞航导弹，2007（11)： 55-58

第五篇：流体流动阻力的测定(教案)

化工原理实验教案

实验二

流体流动阻力的测定

实验二 流体流动阻力的测定

难点：因次分析方法对工程实际问题的分析解决； 重点：测定流体经直管和管件时阻力损失的实验组织法； 课时：4学时，其中实验讲解约1学时，学生完成实验3学时；

流体流动阻力测定是化工领域中最重要的实验之一，是运用因次分析方法的理论来具体解决复杂工程问题的实例，通过实验掌握工程实验的基本实验技能。

一、实验目的

1.熟悉测定流体经直管和管件时阻力损失的实验组织法及测定摩擦系数的工程意义；

2.学会用因次分析方法解决工程实际问题； 3.学会压差计、流量计的使用方法；

4.学会识别组成管路中各个管件，阀门并了解其作用。

二、实验任务

1.测定特定ε/ d条件下直管摩擦系数和雷诺数的关系。2.测定流体流经阀门和弯头时的阻力系数。

三、实验原理

由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的；湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以通过实验研究，获得经验的计算式。

1、直管阻力——采用因次分析法规划实验：（1）影响过程的主要因素

hf =f(d, u,ρ,μ, l,ε)湍流时直管阻力损失hf与的大小取决于流体的物性（密度ρ、粘度μ）、流动状况（流速u）及流道的几何尺寸和形状（内直径d、长度l、管壁粗糙程度ε），若每个自变量的数值变化10次，测取hf的值而其它自变量保持不变，6个自变量，根据正交网络法规划，实验次数将达10。

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流体流动阻力的测定

2、因次分析法规划实验因次分析法是通过将变量组合成无因次数群，从而研究无因次数群之间的关系，大大减少实验自变量的个数，大幅度地减少实验次数。在物理方程因次一致性的条件下，任何一个方程都可化为无因次方程；原方程共有7个变量；它们的因次分别为：d--[L]；u--[LT－]；ρ– [ML－]；μ--[ML－

113T－]；ε--[L]；h f--[LT－]，其中有[L]、[M]、[T] 3个基本因次；根据无因122次方程的变量总数等于原方程变量总数和基本因次数之差，可得无因次数群的个数π=7-3=4个。

即h f =f(d, u,ρ,μ, l,ε)→ π4 =f（π1，π2，π3）式中：1LL LdLd

23MLTMLLLT1131Re1

4LTu22hfhf2

由因次分析法可将对h f =f(d, u,ρ,μ, l,ε)的研究转化成对无因次数群π4 =f（π1，π2，π3）之间关系的研究，即：

dulf(，)2udd'hf实验工作量将从106次实验 → 103次实验，若实验设备已定，则：

dulu2hff(,)dd2 实验次数又将从103次实验 → 102次实验，从而，实验工作量大大降低。若实验设备是水平直管，阻力损失表现为压强的降低，即：

Pdulu2f(,)dd2 2 化工原理实验教案

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所以

duf(,)2ldPud2其中

在实验装置和物系已确定的情况下，摩擦系数λ只随Re而变，实验操作变量仅是流量，通过阀门的开度改变流量，用流量计测定流速，由压差计测定压差，用温度计测定物系温度，从而确定ρ和μ。

四、实验装置

光滑直管为不锈钢管，管径20.5mm，测压点间长度2m；粗糙直管为镀锌管，管径20.5mm，测压点间长度2m；两根管并联，通过球阀控制，直管和弯头的压强损失使用水银压差计测定，闸阀的压强损失通过氯仿压差计测定。

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实验介质为自来水，置于水箱内循环使用，通过离心泵输送，用流量计测定流速，用出口控制阀调节流量（注意：出口控制阀的安装位置，流量调节阀一般不设在吸入侧，以免在关小阀门使发生气蚀现象，也不宜装在离泵很远的出口线上否则，在调节阀前面管段内若有积存空气时会发生泵的喘振，通常在靠近出口的管上安装流量调节阀）。

五、实验步骤

1、实验准备：对照实验流程图，熟习实验装置及流程，识别组成管路中各个管件、阀门、压差计并了解其作用；检查轴承润滑情况，用手转动联轴节看其是否转动灵活；同时将水箱充水至80％。

2、打开压差计平衡阀、四个引压阀和切换阀；关闭各放气阀和离心泵的出口控制阀，启动电源。（为什么？——离心泵在启动时关闭出口阀门，可使轴功率低，以免电机烧坏；同时，在出口阀全开的情况下开动离心泵，管内流量瞬间达到最大值，压差计也会随着迅速上升，这样很可能导致压差计中的指示液被冲走）。

3、系统排气（为什么？——气体的存在会影响压力传递，导致测量误差）。 管路排气：先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，排走总管中的大部分气体，然后打开总管排气阀，开足然后再关闭，重复三次。（注意平衡阀处于开启状态）

 引压管排气：依次分别对六个放气阀，开关重复三次，应保持平衡阀在开启状态。

 压差计排气：关闭平衡阀，缓慢旋动压差计上放气阀排除压差计中的气泡，注意：此时眼睛要注视着U型压差计中的指示液面的上升，先排进压管，后排低压管（严防压差计中水银冲走），排气完毕。

4、检验排气是否彻底。（如何检验？——将出口控制阀打开至最大，再关闭出口阀，看U型压差计读数，若左右读数相等，说明排气彻底，若左右读数不等，重复上述3排气顺序。

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5、实验布点（如何布点？——将控制阀开至最大，读取流量显示仪读数F大，然后关至水银压差计差值约0.08时，再读取流量显示仪读数F小，确定流量范围，在F大和F小之间布12～14个点，其中在大流量时少布点，小流量时多布点，这是由于Re在充分湍流区时λ～Re的关系是直线，所以在大流量时少布点，而Re在比较小时λ～Re的关系是曲线，所以在小流量时多布点。

6、测定：通过控制阀调节管道中的流量，从流量仪读出一系列流量，从相应的压差计读取压差。

7、开启切换阀，测定另一根直管。

8、实验结束后，打开压差计上的平衡阀，先关闭控制阀后，再关闭泵（为什么？——防止出口管内的流体倒流使叶轮受损），排出水槽内的水（为什么？避免设备的锈蚀和冻裂），实验装置恢复原状，并清理实验场地。

9、上机处理实验数据，并打印处理结果，每小组打印一份。

六、思考题

1.本实验装置采用了哪种型式的泵，操作时要不要灌水？ 2.流体在管路中流动产生阻力的起因是什么？它取决于哪些因素？

3.实验数据测定前，为什么一定要排气？如何排气？如何检查气是否排净？

七、注意事项

1、启动电源时，应打开压差计平衡阀和四个引压阀，关闭各放气阀，关闭离心泵的出口控制阀。

2、在排气时，应严防压差计中的指示液被冲走。

3、测定数据前必须对管路及测压系统进行排气，并检查空气是否确实排尽。

4、两根并联管共用一个流量计及测压装置，实验中只能逐根测定；进行管道切换时，一定要先打开待测管道阀门，再关闭当前管道阀门。

5、测定时待流量稳定后再读数。

八、作业

1、上机处理数据，并打印处理结果，每小组打印一份。

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2、完成实验报告，应包含：实验目的、实验原理、实验流程、实验步骤、原始数据、计算示例，讨论等，其中对计算示例，同一小组同学不得采用同一组数据处理。