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1、实验6角系数的几何法测量I实验目的1 .巩固辐射传热理论知识,深入理解角系数的几何意义及性质;2 .了解测定辐射传热角系数的原理和方法;3 .使用角系数测定仪测量角系数,分析影响角系数的因素。实验原理角系数是辐射传热、照明工程以及太阳能利用中经常遇到的重要参数,它表示从漫射表面发出的辐射能中,到达某一表面的百分比。角系数与辐射面和吸收面的形状、大小、相对位置有关,而与两表面的辐射及吸收性质无关,是一个纯几何因子。对规则形状和特殊相对位置的表面,可以通过计算或查表等方法得到其角系数。但对不规则形状和不规则相对位置的表面,通常只能由实验测定角系数。图6-1用几何法分析角系数的示意图如图6-1所示,
2、微元表面dA对dA2的角系数可表示为(6-1)cos%ccs024Adl,d22tvi2r上式也可以用下面的几何分析法获得。以dA的中心为球心,作半径为的半球壳,其在d4所在平面上的投影为圆。再由微元面(IA的中心,作投射到微元面dA?周界的射线,该射线在半球壳上切割出一个微元面dA有K?(6-2)cL2=(L4,-cos2将微元面小4;投影到d4所在平面(半球壳的底面)上,得到投影面积(L4:cL4*=dA;CoS %=6AR22TrCOSoICOS夕2(6-3)把投影面积dA:用圆面积成2除,就得到COS叩COS叩 2dA2Ydl,d2(6-4)表达式(6-4)正是微元面d4对d4的角系数
3、XdI,d2。这种几何分析法同样可以确定微元面dA对有限面积A2的角系数Xdl4。如图6-2所示,由d4的中心引向&周界的射线,在半球壳上切割出面积用,而投影到dA所在平面(半球壳的底面),得到投影面积A;。面积与面积成2之比,则为d4对4的角系数X,2,即qCOST=(6-5)dt2R2几r12几d,td2如果求有限面积A对4的角系数Xi,2,可将面积4划分成微元面d4,求得微元面d4对面积A2的角系数X(H,2,然后通过积分求得X1,2,即X12=-LfXdl2dA1=-L丝”普LMAl(6-6)1,2AIJa狙,21AiJaiJa2r21综上所述,可用几何分析法求得辐射传热的角系数。实验
4、装置实验中所用的S叮一II型角系数测量仪由立杆、平行连杆、滑杆套管、记录笔、激光源及设备底盘组成,其基本结构如图6-3所示。立杆1垂直平面MN于B点,并可以B点的垂线为轴旋转。滑杆套管4通过长度为R的两平行连杆2和6,与立杆相连,而套管中的滑杆3与套管之间是滑动配合的,因此滑杆始终垂直平面MNo滑杆下端的记录笔5与平面MN保持接触。上方的平行连杆2也是一个扫描镜简,内有激光源,用于扫描目标(面积A2)的轮廓。在扫描过程中,A点为假想的球心(微元面d4所在处),C点的轨迹总是在以A点为球心,以R为半径的半球壳上,滑杆下端的记录笔可同时画出半球壳上C点的轨迹在半球壳底面上的投影。用激光束沿目标周界
5、扫描一周,记录笔可在平面MN上画出一个封闭图形,其面积即为被扫描的目标(面积A2)在A点(微元面dA)所在平面(平行MN)上的投影面积A;。实验内容(一)仪器调整实验中仪器装置如图6-4所示。面积A2为竖直矩形平面,高为。、宽为b0微元面(IAl到平面4的垂直距离为c。实验步骤如下:L取下角系数测量仪的包装箱盖板,将盖板有定位铜圈的面朝上平放在桌子上。在盖板上铺上白纸,用定位铜圈压住。然后取出角系数测量仪,安放在定位铜圈上。2 .把仪器箱的底板竖直放置,与水平放置的盖板垂直。盖板紧靠箱体底板(距离C最小),将盖板上的箭头与箱体底板上的箭头对准。3 .抬起记录笔,双手握住平衡块,用拇指按下红色按
6、钮,将激光束仔细地扫描平面A2的轮廓线。多次进行上述操作练习。4 .待操作熟练后,放下记录笔,调整记录笔的高度,使记录笔能够在白纸上画出痕迹。然后将激光束仔细地扫描平面&的轮廓线一周,让记录笔在白纸上画出一封闭图形。注意记录距离c。之后抬起记录笔,取下白纸,用面积测量仪测出封闭图形的面积将其值除以圆面积成2,所得值即为测量的角系数X(H,2。5 .改变盖板与箱体底板的距离,即调整距离c。重新安放白纸,重复实验步骤4,测得新的角系数比较两次测量结果,看看角系数与哪些因素有关。6 .记录仪器上标出的a、b及R值,理论计算角系数,并与实测结果进行比较,分析产生误差的原因。(二)测量数据Q=,b=,R
7、=;c=,=,Xd1,2=;注意事项L测量仪较重,轻拿轻放,小心掉地砸脚。2 .记录笔与白纸要接触紧密,否则很难画出封闭图形。3 .可以采用多种方法测得封闭图形的面积,以得到准确的面积。数据处理1 .实验测量角系数Xdl2=2(6-7),成2式中A:一测得的封闭图形的面积,m2;R连杆的长度(半球壳的半径),nio2 .理论计算角系数Xdl2=-tan1f1/Ctan,f/:(6-8)式中Q矩形平面A2的高,ITl;b矩形平面儿的宽,m;C一一测量仪立柱中心到箱体底板的距离(微元面dA到平面儿的距离),m0问题思考1 .由实验原理,用几何分析法推导出实验所给几何条件下角系数的理论计算公式。2 .根据角系数的几何分析法,如果微元面dA到面积A2的距离小于连杆长度R,能否测量Xdl,2?怎样测量?3 .能否用测量仪测定微元面dA对与其距离C的同轴圆盘(直径为d)A2的角系数XtH,2?请用角系数分析法导出其理论计算式。