热边界层观察实验
热边界层观察实验
一、实验目的
直接观察到固体壁面上这层流体的存在，看到它的形状，以建立一个鲜明的感性认识。
二、热边界层简介
流体流速从壁面上的零增加到流体的主流速度，即流体
流动不受壁面干扰处到壁面的距离的这一薄层称为速度边界
层，紧靠壁面温度变化显著的一薄层，叫热边界层。流体经
经固体壁面或者流体在静止的流体中运动时，由于流体粘性
的作用，紧贴固体液面上必有一层停滞不动的流体，这层停
滞不动的流体厚度虽说不大，但因为它不流动，却对传热、
传质等都有重要的影响。流体流经平板形固体壁面时，若在
层流的情况下，边界层的厚度随着距前沿的距离增加而增加，
随着流速的增大而减小（图1），到一定距离去达到稳定。
流体流经曲面时，除了有类似现象外还会产生所谓边界
层的分离现象，形成旋涡（图2），列管式换热器内就是这种情况的具体例子，边界层的存在就可以解释管子壁面各位置上的给热系数的差异。
三、折光法观察热边界层的原理
仪器由点源、热模型和屏组成（图3）。
图3 边界层仪流层图图4 模型加热后有至下而上的空气运动，模型壁面上存着层流边界层，由于边界层紧贴壁面且停滞不动，层内空气温度必定很高，几乎等于模型壁面温度（用热电偶测出壁面约有350℃）。
点光灯泡的光线从离模型，它以很小的入射角射入边界层（图4）。
如果光线不偏折，它应投射到O点，但现在由于高温空气折射率不同，光线产生偏折，出射角r大于入射角。射出光线有离开边界层时再产生一些偏折后投
射到a 点，在a 点上原来已经有背景的投射光，加上偏折的折射光后就显得特别明亮，各无数亮点组成图形，就反映了边界层的形式。此外，原投射位置b 点，因为得不到投射光线，所以显得较暗，形成暗区，这个暗区也是边界层折射现象引起的，因此也代表边界层的形状。 仪器可以清楚地表现出流体经圆柱体的层流边界形象（图5）。圆柱体底部由于动压的影响，边界层最薄，愈上部厚度愈厚，最后产生边界层分离，形成旋涡。此外，折射现象的出现是高温现象所引起的，这点也就证明边界层是不流动的，边界层的厚度随流速的增加而减薄，这个现象也可以看到，我们对模型吹气，就
会见到迎风一侧边界层奄度减薄（图6）。
热模型用铜制外壳，内装瓷芯和电阻丝，模型要达到一定温度才能产生折光现象，使用时要先通电加热约半小时，然后才开灯观看。
图
5 图
6 迎风一侧边界层减薄
图5
边界层理论
1.边界层理论概述 (1) 1.1 边界层理论的形成与发展 (1) 1.1.1 边界层理论的提出 (1) 1.1边界层理论存在的问题 (2) 1.2 边界层理论的发展 (2) 2边界层理论的引入 (3) 3 边界层基础理论 (4) 3.1 边界层理论的概念 (4) 3.2 边界层的主要特征 (6) 3.3边界层分离 (7) 3.4 层流边界层和紊流边界层 (9) 3.5 边界层厚度 (10) 3.5.1 排挤厚度 (11) 3.5.2 动量损失厚度 (11) 3.5.2 能量损失厚度 (12) 4 边界层理论的应用 (14) 4.1 边界层理论在低比转速离心泵叶片设计中的应用 (14) 4.2 边界层理论在高超声速飞行器气动热工程算法中的应用 (14) 4.3 基于边界层理论的叶轮的仿真 (15) 参考文献 (17)
1.边界层理论概述 1.1 边界层理论的形成与发展 1.1.1 边界层理论的提出 经典的流体力学是在水利建设、造船、外弹道等技术的推动下发展起来的，它的中心问题是要阐明物体在流体中运动时所受的阻力。虽然很早人们就知道，当粘性小的流体（像水、空气等）在运动，特别是速度较高时，粘性直接对阻力的贡献是不大的。但是，以无粘性假设为基础的经典流体力学，在阐述这个问题时，却得出了与事实不符的“D'Alembert之谜”。在19世纪末叶，从不连续的运动出发，Kirchhoff，Helmholtz，Rayleigh等人的尝试也都失败了。 经典流体力学在阻力问题上失败的原因，在于忽视了流体的粘性这一重要因素。诚然，在速度较高、粘性小的情况下，对一般物体来说，粘性阻力仅占一小部分；然而阻力存在的根源却是粘性。一般，根据来源的不同，阻力可分为两类：粘性阻力和压差阻力。粘性阻力是由于作用在表面切向的应力而形成的，它的大小取决于粘性系数和表面积；压差阻力是由于物体前后的压差而引起的，它的大小则取决于物体的截面积和压力的损耗。当理想流体流过物体时，它能沿物体表面滑过（物体是平滑的）；这样，压力从前缘驻点的极大值，沿物体表面连续变化，到了尾部驻点便又恢复到原来的数值。这时压力就没有损失，物体自然也就不受阻力。如果流体是有粘性的，哪怕很小，在物体表面的一层内，流体的动能在流体运动过程中便不断地在消耗；因此，它就不能像理想流体一直沿表面流动，而是中途便与固体表面脱离。由于流体在固体表面上的分离，在尾部便出现了大型涡旋；涡旋演变的结果，就形成了一种新的运动“尾流”。这全部过程是一个动能损耗的过程，也是阻力产生的过程。 由于数学上的困难，粘性流体力学的全面发展受到了一定的限制。但是，在粘性系数小的情况下，粘性对运动的影响主要是在固体表面附近的区域内。 从这个概念出发，普朗特（Prandtl）在1904年提出了简化粘性运动方程的理论——边界层理论。即当流体的粘度很小或雷诺数较大的流动中，流
平板边界层实验报告
流体力学实验 平板边界层实验报告 班级 姓名 实验日期 指导教师 北京航空航天大学流体力学研究所
流体力学实验 平板边界层实验报告 一、实验目的 测定平板边界层内的流速分布，并比较层流边界层及紊流边界层的速度分布的差别。 二、实验设备 本实验使用的是一个二维开路闭口低速风洞，在该风洞实验段中装有两块平板，以分别测量层流及紊流边界层的速度分布。为测量速度分布，在平板板面上安装有总压排管及静压管。这些测压管分别用橡皮管连接到多管压力计上，通过测量多管压力计液柱高度推算出速度来，具体原理见后。为测出实验段风速，在实验段侧壁上装有风速管，风速管的总压孔及静压孔也分别用橡皮管连接于多管压力计上，装备情况见图1。 图1 三、实验原理 当气流流过平板时由于粘性作用使紧贴平板表面处的流速为零，离开板面速度就逐渐增大，最后达到相当于无粘时的气流速度。对平板来说，就等于来流速度了。由于空气粘性很小，只要来流速度不是很小时，流速变化大的区域只局限在靠近板面很薄的一层气流
内，这一薄层气流通常叫作边界层。人为地规定，自板面起，沿着它的法线方向，至达到99%无粘时的速度处的距离，称为边界层厚度δ。 不可压流场中，每一点处的总压P 0，等于该点处的静压和动压 1 2 2ρv 之和。 p p v 021 2=+ ρ 则 v p p = -20() ρ （1） 因此只需测出边界层内各点处的静压p ，总压p 0，就可计算出各点的速度来。但考虑到垂直平板方向的静压梯度等于零（即??p y /=0），我们只需在平板表面开一静压孔，所测的静压就等于该点所在的平板法线方向上各点的静压。要测边界层内的速度分布就只要测出沿平板法线上各点的总压即可。 p i 0──为各测点的总压。 p i ──为各测点的静压。 v i ──为各测点的速度。 γ ──为多管压力计所使用的液体重度（公斤/米3）。 ?h i ──为各测点总压管与静压管的液柱高度差。 ρ ──为空气的密度，实验时可依据当时室温及大气压强由表查出。 φ ──为多管压力计的倾斜角。 根据（1）式，边界层内各测点处的速度为 v h i i = 2 ρ γφ?sin （2） 通常边界层内的速度分布用无量纲的形式表示为 v v f y i i 1=()δ y i 为各测点至板面的高度，δ 为边界层厚度，v 1为边界层外边界上的速度，对平板 来说即为来流速度。 v 1可通过风速管的静压管和总压管在多管压力计上的液柱高度差?h 1，由下式算出： v h 112 =ρ γφ?sin （3） 由（2）式和（3）式，可得 v v h h i i 1 1 =?? （4）
什么是边界层
什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。大气边界层厚度,一般白天约为1.0km,夜间大约在0.2km左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。 什么是湍流?英文湍流为“turbulence”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。从1915年由Taylor[1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley[2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。1905年Ekman[3]从地球流体力学角度提出了著称于世的Ekman螺线,在此基础上形成了行星边界层的概念,他的基本观点仍沿用至今。1961年,Blackadar[4]引入混合长假定,用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺旋图象。行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律。从20世纪50年代开始,由于农业、航空、大气污染和军事科学的需要,掀起了大气边界层研究的高潮。1954年, Monin和Obukhov[5]提出了具有划时代意义的Monin—Obukhov相似性理论,建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。1982年,Dyer[6]等利用1976年澳大利亚国际湍流对比实验ITCE对其进行完善使得该理论有了极大的应用价值。1971年Wyngaard[7]提出了局地自由对流近似,补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。从20世纪70年代开始,随着大气探测技术和研究方法的发展,特别是雷达技术,飞机机载观测, 系留气球和小球探空观测以及卫星遥感和数值模拟等手段的出现,大气边界层的研究开始从近地层向整个边界层发展。简洁地概括,对大气边界层物理结构研究贡献最突出的是两大野外实验和一个数值实验,即澳大利亚实验的Wanggara和美国的Min-nesota实验以及Deardorff的大涡模拟实验。相似性理论是大气边界层气象学中最主要的分析和研究手段之一,在建立了比较成熟的用于描述大气近地面层的Monin—Obukhov相似性理论以后,人们开始寻求类似的全边界层的相似性理论。国际上,除Neuwstadt[8]、Shao[9]等做了大量工作外,我国胡隐樵等以野外实验验证了局地相似性 理论,并建立了各种局地相似性理论之间的关系。张强等还对局地相似性理论在非均匀下垫面近地面层的适应性做了一些研究。自1895年雷诺平均方程建立以来,该方程组的湍流闭合问题是至今未解决的一个跨两个世纪的科学难题。人们发展湍流闭合理论,以达到能够数值求解大气运动方程,实现对大气的数值模拟。闭合理论有一阶局地闭合理论即K闭合。1990年HoIt-sIag[12]在1972年理论框架的基础上,用大涡模拟资料对K理论做了负梯度输送的重大修正。为更精确地求解大气运动方程,也为了满足中小尺度模式,特别是大气边界层模式刻画边界层湍流通量和其它高阶矩量的目的,高阶湍流闭合技术也开始被模式要求。由于大气边界层研究是以野外探测实验为基础的实验性很强的科学,我国以往由于经济落后,无法得到第一手的实验资料,研究相对落后,与国外相比,总体上差距在20a左右,但我国学者在大气边界层的研究中也有其特殊贡献:1940年周培源先生[13]提出的湍流应力方程模式理论,被认为是湍流模式理论开始的标志,这一工作奠定了他在国际湍流研究领域的崇高地位。苏从先等在上世纪50年代给出的近地面层通量廓线与当时国外同类研究同步,被国外学者称为“苏氏定律”,在上世纪80年代苏从先等首次发现了干旱区边界层的绿洲“冷岛效应”结构。上世纪70年代周秀骥[16]提出的湍流分子动力学理论也很有独特的见解。1981年周 明煜[17]提出的大气边界层湍流场团块结构是对湍流结构的新认识。上世纪80~90年代赵鸣[18]对边界层顶抽吸作用的研究是对Charney—Eiassen公式的很好发展。在20世纪90年代的“黑河实验”中,胡隐樵等和张强[19]首次发现了邻近绿洲的荒漠大气逆湿,并总结提出了绿洲与荒漠相互作用下热力内边界层的特征等等。国内外有关大气边界层和大气湍流的专著
保温层厚度计算
保温层厚度的计算与校核 1 已知条件 保温棉内侧对流换热系数h1=70w/(m2·k)，温度分别为0℃、-60℃、-138℃。铝片的厚度∝1为5mm，传热系数λ1=236w/(m2·k)。保温棉的传热系数λ2=0.022 w/(m2·k)。保温棉外侧的空气温度为35℃，其表面温度查空气焓湿图，取35℃、65%相对湿度情况下的露点温度。保温棉外侧的对流换热系数h2=8 w/(m2·k)。 2 保温棉厚度计算 2.1 露点温度 空气温度T a=35℃，相对湿度为65%时，查空气焓湿图得到露点温度T d=27.57℃。2.2最大允许冷损失量的计算 根据《工业设备及管道绝热工程设计规范（GB50264-97）》，最大允许冷损失量应按以下公式进行计算： 当T a-T d≤4.5时： [Q]=-(T a-T d)αs; 当T a-T d >4.5时： [Q]=-4.5αs 其中αs绝热层外表面向周围环境的放热系数。 T a-T d=（35-27.57）℃=7.43℃，故最大允许冷损失量 [Q]=-4.5αs=-4.5×8=-36w。 2.3 保温棉厚度的计算 由传热公式知： [Q]= (T i-T a)/ (1 ?1+∝1 λ1 +∝2 λ2 +1 ?2 ) 其中∝2为保温层的厚度。 由此得到∝2=λ2×（T i?T a Q ?1 ?1 ?1 ?2 ?∝1 λ1 ） 1 保温层内侧温度为0℃时 保温层厚度∝2= λ2×T i?T a Q ?1 ?1 ?1 ?2 ?∝1 λ1 =0.022×0?35 ?36 ?1 70 ?1 8 ?0.005 236 =0.018m 2 保温层内侧温度为-60℃时 保温层厚度∝2= λ2×T i?T a Q ?1 ?1 ?1 ?2 ?∝1 λ1 =0.022×?60?35 ?36 ?1 70 ?1 8 ?0.005 236 =0.054m 3 保温层内侧温度为-138℃时 保温层厚度∝2= λ2×T i?T a Q ?1 ?1 ?1 ?2 ?∝1 λ1 =0.022×?138?35 ?36 ?1 70 ?1 8 ?0.005 236 =0.103m 3 保温层厚度的校核 设保温层外侧表面的温度为T f 1 保温层内侧温度为0℃时 取保温层厚度∝2=0.025m 传热量[Q] = (T i-T a)/ (1 ?1+∝1 λ1 +∝2 λ2 +1 ?2 )= (0-35)/ (1 70 +0.005 236 +0.025 0.022 +1 8 )=-27.44w T f=T a+Q ?2=35?27.44 8 =31.57℃>T d=27.57℃故符合要求。
matlab求解平板边界层问题
《粘性流体力学》程序 平板边界层问题求解
1.1编程思路 平面边界层问题可以归结为在已知边界层条件下解一个高阶微分方程,即解0 f。Matlab提供了解微分方程的方法，运用换+ff '''= 5.0 '' 元法将高阶微分方程降阶，然后运用“ode45”函数进行求解。函数其难点在于如何将边界条件中1 η运用好，由四阶龙格-库塔方 →f ,→ ' ∞ 法知其核心是换元试算匹配，故在运用函数时通过二分法实现 η是可行的。 ∞ →f ,→ ' 1 1.2m函数 function dy = rigid(x,y) dy = zeros(3,1); dy(1) = y(2); dy(2) = y(3); dy(3) = -0.5*y(1)*y(3); %main程序 [X, Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0]); plot(X, Y(:,1),'-',X, Y(:,2),'*',X, Y(:,3),'+') %二分法试算f’’的初始值以满足f’趋向无穷时的边界条件，图像上可以清晰看出f’无穷时的结果 >> [X, Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 1]); plot(X, Y(:,1),'-',X, Y(:,2),'*',X, Y(:,3),'+') >> [X, Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.5]); plot(X, Y(:,1),'-',X, Y(:,2),'*',X, Y(:,3),'+') >> [X, Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.25]); plot(X, Y(:,1),'-',X, Y(:,2),'*',X, Y(:,3),'+') >> [X, Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.375]); plot(X, Y(:,1),'-',X, Y(:,2),'*',X, Y(:,3),'+') >> grid on >> [X, Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.3125]); plot(X, Y(:,1),'-',X, Y(:,2),'*',X, Y(:,3),'+') >> grid on >> [X, Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.34375]); plot(X, Y(:,1),'-',X, Y(:,2),'*',X, Y(:,3),'+') grid on >> [X, Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.328125]); plot(X, Y(:,1),'-',X, Y(:,2),'*',X, Y(:,3),'+') grid on
大气探测学复习思考题版
大气探测学复习思考题（2011版）一、写出下列云状的国际简写或由国际简写写出云状学名 浓积云Cu cong 碎积云Fc 淡积云Cu hum 秃积雨云Cb calv 鬃积雨云Cb cap 荚状层积云Sc lent 堡状层积云Sc cast 透光层积云Sc tra 积云性层积云Sc cug 蔽光层积云Sc op 层云St 碎层云Fs 雨层云Ns 碎雨云Fn
透光高层云As tra 蔽光高层云As op 透光高积云Ac tra 蔽光高积云Ac op 堡状高积云Ac cast 荚状高积云Ac lent 积云性高积云Ac cug 絮状高积云Ac flo 毛卷云Ci fil 密卷云Ci dens 伪卷云Ci not 钩卷云Ci unc 匀卷层云Cs nebu 毛卷层云Cs fil 卷积云Cc 二、解释名词 大气科学、大气探测、气象资料的代表性、气象资料的准确性、气象资料的比
较性、云、、云量、天气现象、气象能见度、气象光学距离、气温、摄氏温标、华氏温标、热电现象、热滞系数、百叶箱、湿度、露点温度、盖﹒吕萨克尺度、气压、本站气压订正、海平面气压订正、风、阵风、降水量、蒸发量、积雪、太阳常数、直接辐射、雾、环日辐射、散射辐射、全辐射、净辐射、日照时数、高空测风、单经纬仪定点测风、双经纬仪基线测风、一次雷达、二次雷达、测风雷达的测角原理、等信号强度法、自动气象站、遥感、主动式大气遥感探测、被动式大气遥感探测、激光雷达、声雷达、可见光探测、红外辐射探测、微波探测、大气边界层探测、气象塔、对比视感阈 三、简述或论述下列各题 1．为什么要提出气象观测资料的“三性”？ 2．什么是观测资料的测站代表性和区域代表性？ 3．怎样来衡量观测资料的代表性和准确性？它们之间有何关系？怎样保证比较性？ 4.淡积云、浓积云、秃积雨云、鬃积雨云，它们之间的区别界限是什么？ 5.碎积云、碎层云、碎雨云，它们之间在外形及成因上有何不同？ 6.卷层云和高层云、高层云和雨层云、雨层云和层云，各有何异同之处？ 7.卷积云和高积云、高积云和层积云，各有何异同之处？
风管保温层要工程量计算方法
风管保温层要工程量计算方 法 标准化文件发布号：（9312-EUATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
风管保温层要工程量计算方法 1、矩形按矩形单边长度加一个保暖厚度作为边长计算； 2、圆形按园半径加一个保温厚度作为半径； 3、其中：保温厚度=设计要求的保温厚度+规范规定的允许超厚系数%（即保温厚度*）。 4、通风空调风管橡塑板保温体积计算公式： （1）矩形风管=（长+宽+保温厚度*）*2*长度*保温厚度* （2）圆形风管=（直径+保温厚度**2）**长度*保温厚度* 5、通风空调风管橡塑板保温面积计算公式： （1）矩形风管=（长+宽+保温厚度*）*2*长度=保温面积 （2）圆形风管=（直径+保温厚度**2）**长度=保温面积 6、风管保温层厚度计算方法 1、可以用风管面积乘以一个系数来确定，系数一般取15%左右，视风管大小、施工方法确定。 2、公式：(a+b+4d)*2*L（a、b分别为风管长宽、L为风管长度） 3、公式这样算出来还是要乘以一个损耗及包法兰边的系数 4、直接用风管面积乘以15%左右最方便，也比较准确。（参考方法） 如果你自己弄不明白，或没时间计算，建议找代算，根据情况不同，费用不等。 套定额 套用保温定额中有关于风管保温的定额 一、其他方法
1、你可以搜索下小蚂蚁算量，能做工程量计算、预算，高质、高效 2、你可以在网上搜下预算造价单位，有一些单位做的比较好 3、你可以去第三方平台委托别人做，平台上注意防骗，你可以找单位、也可以找个人来做。 二、注意点 1、计算工程量应按照工程所在地的定额或规定标准计算； 2、工程量计算熟悉定额、规定是基础； 3、计算工程量前看清楚图纸是前提，应注意小的注释，以免看漏看错是计算结果出现错误； 4、工程量计算原则上是不允许错误的，希望不要抱侥幸态度去计算工程量。
流体力学平板边界层内的流速分布实验报告电子版
平板边界层内的流速分布实验 实验日期 2011-5-21 小组成员：李超，郭静文（93班）等 报告人 周楠 能动95 09031125 实验目的 1） 测量离平板前缘任意截面边界层内的速度分布； 2） 根据速度分布确定边界层厚度； 3） 了解风洞结构及测量仪器。 仪器设备 吸入式风洞、大气压强计、温度计、微压计、U 型测压管、平板模型、总压探针及三维坐标架。 其中仪器的重要参数包括： (1)吸入式低速风洞P max =P a , 工作截面尺寸300mm ×300mm; (2)风洞的气体流速u max <25m/s, M<0.3,所以风洞内气体流动可以看成二维不可压缩流动即ρ=ρa (3)平板尺寸325mm ×200mm (4)总压探针头部直径：d=0.9mm 实验原理 1 流体在大雷诺数下绕物体流动时，由于流体粘性的作用，与物体表面接触的流体速度为零，然后沿法向很快增至主流速度，这层贴近物体表面，沿着法向有很大速度梯度的流动薄层，称为边界层； 2 在边界层内，速度梯度很大，不能忽略流体的粘性，因此流动作实际流动u x 和p o 都在变化且u x 第一章 1.什么是大气探测？可以划分为哪几部分? 2.简述大气探测的目的是什么? 3.地面气象观测场的要求有哪些？ 4.简述大气探测有哪几种方法? 5.大气探测仪器的性能包括哪几个? 6.如何保证大气探测资料的代表性和可比性? 7.气象探测环境? *大气探测 ．．．．，是指利用科技手段对大气层和近地层的各种物理过程、化学过程、生物过程等进行系统的观察和测量。是对表征大气状况的气象要素、天气现象及其变化过程进行系统的、连续的观察和测定。大气探测资料精确性直接影响到气象预报、气候预测和气候变化研究等的准确性。大气探测可划分为地面气象观测，高空探测，特种探测，遥感探测 *．大气探测的科技手段 ．．．．．．．．．：机械方法：风向标等。光学方法：经纬仪光谱仪等。热学方法：蒸发器等。电磁方法：雷达卫星信息传输等 * 大气探测的空间范围， ．．．．．．．．．．从海平面往上到几百公里甚至一千多公里 范围不断扩大！ * 大气边界层， ．．．．．．大气与地面之间充分湍流化的气层，厚度约为1km，大气要素变化剧烈并随时间和地表条件变化，是地面气象观测和大气边界层探测的主要大气层，该层对局地天气、气候产生重要影响。 近地面层（常通量层，表面层），直接与地表接触、受地面强烈影响， 地面气象观测在此高度内。 *影响大气边界层探测的物理过程，．．．．．．．．．．．．．．．辐射传输过程：短波辐射，长波 辐射。热力传输过程：显热，潜热。动力作用：平流，垂直运动，局 地环流。湍流运动：无规则，分类（机械、热力），特征，尺度谱， 串级传递能量过程，湍流输送过程。 *．大气探测学研究目的 ．．．．．．．．．，．1.大气探测是从事大气科学教学、科研的基 础。为天气、气候诊断分析、预报及环境保护部门、国家及全球气象 资料网络系统等提供大气观测资料。2.随着科学技术的发展，大气探 测的要素量和空间范围越来越大。大气探测分为近地面层大气探测、 高空大气层探测和专业性大气探测。3.. 是推动大气科学进步的重要 力量大气科学重大理论的提出和完善得益于大气探测（虽然数值模拟 在其中也发挥着重要作用）。新的探测原理和观测平台促进大气科学 的前进（如GPS水汽探测、卫星平台） *大气探测 ．．．，业务需求，社会需求，科研需求。．．．．同时满足 ．．．．3．种需求 *地面气象观测场， ．．．．．．．．观测场四周空旷平坦，所取得的资料应具有较好 的代表性；经纬度（精确到分）和海拔高度（精确到0.1m）刻在石 碑上，埋设在场内；观测场为25mX25m的平整场地，保持均匀草坪， 草高不超过20cm，不准种植作物；设 1.2m高稀疏围栏，内设 0.3m-0.5m宽小路，且只准在小路上行走，小路下建线缆沟或埋设 线缆管。 *气象探测环境 ．．．．．．，是指为避开各种干扰保护气象探测设施准确获得气 保温层“经济厚度法”计算公式中有关参数的取用 幺莉，黄素逸 (华中科技大学，湖北武汉430074) 摘要着重介绍了采用保温层“经济厚度法”的计算公式中有关参数的取用和分析，为热力设备和管道保温结构的工程设计，提供一定的参考。 关键词热力设备保温层经济厚度 1前言 保温层“经济厚度”的计算方法，不但考虑了传热基本原理，而且考虑了保温材料的投资费用、能源价格、贷款利率、导热系数等经济因素对保温层厚度的影响。因此，在火力发电厂的设计过程中，通常采用“经济厚度法”对热力设备 和管道的保温层厚度进行计算。 对于火力发电厂的热力设备和管道，可分为平壁和管道两种物理模型。当管道和设备的外径大于1020mm时，可按平壁的公式，来计算保温层厚度。 平壁和管道的保温层经济厚度计算公式如下所示： 式中，δ：保温层的经济厚度，m；P h：热价，元/GJ；λ：保温材料的导热系数，W/(m·K)；h：年运行小时数，h；t：设备和管道的外表面温度，℃；ta：环境温度，℃；P i：保温材料单位造价，元/m3；S：保温工程投资贷款年分摊率；α：保温层外表面向大气的放热系数，W/(m2·K)；d o：保温层外径,m; d i： 保温层内径，m。 由以上列出的保温层“经济厚度法”计算公式可以看出，公式中涉及的参数较多。在保温计算时，这些参数的取值直接会影响到保温层厚度的计算结果。所以，针对不同工程的实际情况，选取适当的参数，对计算结果的精度至关重要。 以下着重对计算公式中的各参数的取值进行讨论和分析。 2参数的取用和分析 2.1设备和管道的外表面温度t 对于无内衬的金属设备和管道，其外表面温度应取介质的设计温度或最高温度；对于有内衬的金属设备和管道，应按有保温层存在进行传热计算确定其外表 面温度。 2.2环境温度t a 保温工程的环境温度，实际上是一个变数，但通常情况下，如果载热介质的温度高而且稳定，环境温度的变化对计算温差的影响有限。因此，一般把工业保温的传热过程视为稳定传热，环境温度通常取用其年平均值来代表，并分为室内、 第八章 边界层理论基础和绕流运动 8—1 设有一静止光滑平板宽b ＝1m ，长L ＝1m ，顺流放置在均匀流u ＝1m/s 的水流中，如图所示，平板长边与水流方向一致，水温t ＝20℃。试按层流边界层求边界层厚度的最大值δmax 和平板两侧所受的总摩擦阻力F f 。 解：20℃水的运动粘度ν＝1.003?10-6 m 2/s 密度3 998.2/kg m ρ= 6 11 9970091.00310ν-?= = =?L uL Re 因为 56 310997009310?<= 2009年04月20~22日平板附面层速度剖面与厚度的测定 一、实验目的： 1．熟悉附面层速度分布和厚度的测量方法。 2．具体测定平板附面层层流与湍流附面层的速度分布及其厚度。 3．把实验结果与理论计算结果进行比较，分析其差异产生的原因。 二、实验原理： 粘性匀质不可压缩流体，测量边界层内的速度，仍利用风速管（皮托管）测风速的原理，即测出某点的总压P0和静压P后再换算成该点的速度，因为边界层很薄，其厚度往往只有几mm到十几mm，因而只能用极细的探针去探测边界层内的压力。 由于在边界层内部满足?(P)/?(Y)=0，即静压P沿着平板的法线方向不变，因此，可以用壁面上的静压P来表示边界层内法线上所有不同高度的静压。于是，本实验将一根微总压管装在一标架上，使微总压管以很小的间距上下移动，测出不同高度处的总压P0(y)后，即可算出法线上离壁面y处的速度。 实验时，把总压管由壁面逐步往上移动，则测出的总压越来越大。当移动到某一高度以后，再继续往上移动几个间距，这时所测到的总压已不再随高度的变化而变化。记录下数据，经软件分析后可得速度边界层厚度和速度剖面，并与理论曲线对照。 理论分析中总是假定从平板（或物体）的前缘（或驻点）就开始形成层流或湍流边界层。实际上绕流体的运动常常是组合边界层问题，即在物体的前部分首先形成层流边界层，在它的后部分形成湍流边界层，在它们之间还有一个过渡段。 过渡段从层流的失稳点（层流不稳定点）开始直到流动成为完全湍流之点（湍流过渡点）结束。性质介于两者之间。 为了读出压力的微小变化,本实验采用压力传感器,采用总压和静压之差，将其采集的压力信号转换成电信号，再通过放大器进行信号放大后，输入A/D转换器，由计算机直接计算出速度值。 由于速度剖面是以无量纲形式画成的，因此，不需要计算一点的速度，只要计算出速度的相对值就可以了。计算各高度上的u y/v和y/δ的值，以y/δ为纵 一、 聚丙烯PP 外壁热损计算： 采用设备上一个筒形作为研究对象。 根据保温层厚度计算公式： 5 .175.135.12.114.3q d w τλδ= （1－1） 式中： δ————保温层厚度，4.6mm; w d ————管道或圆柱设备的外径，此处为水柱外径，40.8mm; λ————保温层的热导率，0.33kJ/(h.m. ℃); τ———未保温的管道或圆柱设备外表面温度，60℃; q —————保温后的允许热损失，kJ/(h.m.); 所以δτλ75.135.12.15.114.3w d q Q == （1－2） ==67.0Q q (δ τ λ75.135.12.114.3w d )0.67 （1－3） 得出：聚丙烯外壁的热损值为：681.152 kJ/(h.m.) 二、聚丙烯外层的表面温度的确定按下式计算 πλ2ln 12 11d d q t t w - = （1－4） 式中：q ———聚丙烯层保温热损失，kJ/(h m.)；. λ———聚丙烯的热导率，kJ/(h.m. ℃); 1w t ———聚丙烯层外表面温度，℃； 1t ———聚丙烯层内表面温度，℃； 2d ———聚丙烯保温层外径，mm; 1d ———聚丙烯保温层内径，mm; 聚苯乙烯内表面温度即为聚丙烯保温层外表面温度。得出聚丙烯层外温度为：52.72℃ 三、聚苯乙烯保温层计算过程如下： 通过式（1－3）计算外层聚苯乙烯保温层的厚度为： 5 .175.135.12.114.3q d w τλδ= 式中： δ————聚苯乙烯保温层厚度， mm; w d ————管道或圆柱设备的外径，40.8mm; λ————保温层的热导率，0.1476kJ/(h.m. ℃); τ———未保温的管道或圆柱设备外表面温度，52.72℃; q —————保温后的允许热损失，104.7kJ/(h.m.); 计算得： 聚苯乙烯保温层厚度为：24.97mm 。 同理： 聚乙烯保温层计算同上。厚度为：30.03 mm 。 对于本次编程编程作业，小组运用matlab 和c++两种程序对平板边界层问题和绕过楔形体边界层流动问题进行分析研究。以下是运用matlab 解决问题的过程。 一、 平板边界层问题 该问题可以归结为在已知边界层条件下解一个高阶微分方程,即解0''5.0'''=+ff f 。Matlab 提供了解微分方程的方法，运用换元法将高阶微分方程降阶，然后运用“ode45”函数进行求解。函数其难点在于如何将边界条件中1',→∞→f η运用好，由四阶龙格-库塔方法知其核心是换元试算匹配，故在运用函数时通过二分法实现1',→∞→f η是可行的。程序如下： 第一问m 函数 function dy = rigid(t,y) dy = zeros(3,1); dy(1) = y(2); dy(2) = y(3); dy(3) = -0.5*y(1)*y(3); %第一问main 程序 [T,Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0]); plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') %二分法试算f ’’的初始值以满足f ’趋向无穷时的边界条件，图像上可以清晰看出f ’无穷时的结果 >> [T,Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 1]); plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') >> [T,Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.5]); plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') >> [T,Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.25]); plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') >> [T,Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.375]); plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') >> grid on >> [T,Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.3125]); plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') >> grid on >> [T,Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.34375]); plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') grid on >> [T,Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.328125]); plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') grid on >> [T,Y] = ode45('rigid',[0 10],[0 0 0.328125]);%当f ’’为0.328125时，逼近结果已经很好，在0到5的变化范围内已经非常接近精确解 plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') grid on >> [T,Y] = ode45('rigid',[0 5],[0 0 0.335975]); plot(T,Y(:,1),'-',T,Y(:,2),'*',T,Y(:,3),'+') grid on 边界层厚度的计算方法详述 与边界层厚度相关的概念，包含边界层厚度，边界层位移厚度和边界层动量厚度三个概念。 边界层厚度δ：严格而言，边界层区与主流区之间无明显界线，通常以速度达到主流区速度的0.99U 作为边界层的外缘。由边界层外缘到物面的垂直距离称为边界层名义厚度。 边界层位移厚度δ*：设想边界层内的流体为无粘性时，以均流速度Ｕ流过平板的速度分布如图 1所示。实际流体具有粘性，以相同速度流过平板时，由于壁面无滑移条件，速度从Ｕ跌落至0。如此形成的边界层对流动的影响之一是使设想中的无粘性流体流过该区域的质量流量亏损了（图 1中阴影区，平板宽度设为1）。将亏损量折算成无粘性的流量，厚度为δ*（图 1中阴影区）。 图 1 边界层位移厚度示意图 其公式推导： *0()U U u dy δ ρδρ=-? 对不可压缩流体 *0(1)u dy U δδ=-? 其中存在的问题是，很显然，边界层内的质量流量减少了，因为边界层内的沿着壁面切向的速度最大为自由来流的速度，最小为0，而无粘的时候，整个流动的速度都是U 。 损失的质量去哪里了呢？质量是不会丢失的，损失的质量流动到了边界层之外了，如图 2所示。 图 2 排挤厚度 在图 2中，可以明显看出，由于边界层的存在，整个流动向边界层外“排挤”了，把一部分流 体质量排挤到了边界层之外。所以，边界层位移厚度，又称作排挤厚度，这个叫法比较形象地说明了边界层位移厚度的物理意义。 对于边界层的动量厚度θ：边界层对流动的影响之二是使设想中的无粘流体流过该区域的动量流量亏损了，按平板单位宽度计算动量流量亏损量，并将其折算成厚度为θ无粘性流体的动量流量 0()U U u U u dy δρθρ* =-? 对不可压缩流动 0(1)u u dy U U δθ*=-? 称θ为动量亏损厚度，简称动量厚度。 现在很多教材中对边界层的动量厚度的说明比较模糊，没有强调出为什么使用上述公式计算。以至于很多人对边界层的动量厚度有了错误的理解。 计算边界层的动量厚度，必须考虑边界层的排挤厚度，即位移厚度！因为在计算动量厚度的时候，要考虑质量守恒的问题。 在边界层内，理想流体通过时的动量为： 10E UUdy UU δ ρρδ==? 在边界层内，考虑壁面无滑移条件，对于实际粘性流体来说，流体的动量为： 20()()E u y u y dy δ ρ=? 要注意，我们并不能拿以上两项相减来作为边界层动量的损失，因为有一部分质量被“排挤”到了边界层之外，如果是理想流动，这一部分质量在边界层厚度之内呢。所以，计算动量厚度的时候，一定要把排挤厚度之内的那些动量也减掉，这样才遵守了基本的质量守恒的原则，所以边界层动量厚度的计算方法为： *12E E UU ρδ-- 如此，在推导之，方可得到以上的结果。当然，要注意利用一下 ()*0()U u y dy δ δδ-=? 一、蒸汽管道保温厚度计算 计算的已知条件 管道直径：219mm，管道长度：100m 管道内介质温度：t0=400℃和150 ℃ 环境温度：平均温度t a=25℃保温表面温度：t s=45℃（温差20℃） CAS铝镁质保温隔热材料的导热方程：0.038+0.00015tcp，导热系数修正系数1.2 复合硅酸盐保温材料的导热方程：0.038+0.00018tcp，导热系数修正系数1.8 120kg/m3管壳的导热方程：0.048+0.00021 tcp，导热系数修正系数1.8 注：复合硅酸盐、岩棉管壳的导热方程摘自《保温绝热材料及其制品的生产工艺与质量检验标准规范实用手册》。 1、介质温度为400℃，表面温度为45℃，温差为20℃，材料保温厚度计算 CAS铝镁质保温隔热材料（热面400℃，冷面45℃）的平均导热系数 λ=｛0.038+0.00015×（400+45）÷2｝×1.2=0.0857 复合硅酸盐保温隔热材料（热面400℃，冷面45℃）的平均导热系数 λ=｛0.038+0.00018×（400+45）÷2｝×1.8=0.1405 岩棉管壳（热面400℃，冷面45℃）的平均导热系数 λ=｛0.048+0.00021×（400+45）÷2｝×1.8=0.1705 温差为20℃，室内管道表面换热系数 as=5.0+3.4+1.27=9.67w/㎡.k a、用CAS铝镁质保温隔热材料保温 D1ln(D1/D)=2λ(t0-t s)/ 边界层（Boundary Layer）是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，又称流动边界层、附面层。这个概念由近代流体力学的奠基人，德国人Ludwig Prandtl（普朗特）于1904年首先提出。从那时起，边界层研究就成为流体力学中的一个重要课题和领域。在边界层内，紧贴物面的流体由于分子引力的作用，完全粘附于物面上，与物体的相对速度为零。 边界层又称附面层，它是指流体流经固体表面时，靠近表面总会形成那么一个薄层，在此薄层中紧贴表面的流体流速为零，但在垂直固体表面的方向（法向）上速度增加的很快，即具有很大的速度梯度，甚至对粘性很小的流体，也不能忽略它表现出来的粘性力。而在此边界层外，流体的速度梯度很小，甚至对粘度很大的流体而言，其粘性力的影响也可以忽略，流体的流速与绕流固体表面前的流速V0一样。这样就可把边界层外流动的流体运动视为理想流体运动，不考虑粘性力的影响。边界层内、外区域间没有明显的分界面，而把边界层边缘上的流体流速V x视为V x=0.99 V0，因此从固体表面至V x=0.99 V0处的垂直距离视为边界层的厚度δ。这样大雷诺数下绕过固体的流动便简化为研究边界层中的流动问题。 边界层内的流动可以是层流，也可以是带有层流底层的紊流，还可以是层流、紊流混合的过渡流。 图1 边界层结构 综上所述，边界层的特征可归结为： （1）与固体长度相比，边界层厚度很小； （2）边界层内沿边界层厚度方向上的速度梯度很大； （3）边界层沿流动方向逐渐增厚； （4）由于边界层很薄，故可近似地认为，边界层截面上的压力等于同一截面上边界层外边界上的压力； （5）边界层内粘性力和惯性力士同一数量级的； （6）如在整个长度上边界层内都是层流，称层流边界层；仅在起始长度上的是层流，而在其他部分为紊流的称混合边界层。 以上定义的边界层为速度边界层，另外在其他学科领域中对于边界层的应用还是十分广泛的，主要有温度边界层和浓度边界层。 1．温度边界层 流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，大气探测Word版
保温层厚度计算公式
8第八章-边界层理论基础和绕流运动
平板边界层速度剖面的测定讲义2
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流体力学——平板边界层编程
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