第一篇：聲速的測定教案

大學物理實驗教案

實驗名稱：空氣中聲速的測定

1、實驗目的

（1）學會用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。（2）進一步掌握示波器、低頻信號發生器的使用方法。（3）學會用逐差法處理數據。

2、實驗儀器

超聲聲速測定儀、低頻信號發生器DF1027B、示波器ST16B。

3、實驗原理

3．1 實驗原理

聲速V、頻率f和波長λ之間的關系式為V?f?。如果能用實驗方法測量聲波的頻率f和波長λ，即可求得聲速V。常用的測量聲速的方法有以下兩種。

3．2 實驗方法

3．2．1 駐波共振法（簡稱駐波法）

S1發出的超聲波和S2反射的超聲波在它們之間的區域內相干涉而形成駐波。當波源的頻率和駐波系統的固有頻率相等時，此駐波的振幅才達到最大值，此時的頻率為共振頻率。

駐波系統的固有頻率不僅與系統的固有性質有關，還取決于邊界條件，在聲速實驗中，S1、S2即為兩邊界，且必定是波節，其間可以有任意個波節，所以駐波的共振條件為：

L?n,n?1,2,3??2（1）

即當S1和S2之間的距離L等于聲波半波長的整數倍時，駐波系統處于共振狀態，駐波振幅最大。在示波器上得到的信號幅度最大。當L不滿足（1）式時，駐波系統偏離共振狀態，駐波振幅隨之減小。

移動S2，可以連續地改變L的大小。由式（1）可知，任意兩個相鄰共振狀態之間，即

?S2所移過的距離為：

?L?Ln?1?Ln??n?1??2?n??2??2（2）

??可見，示波器上信號幅度每一次周期性變化，相當于L改變了2。此距離2可由超聲聲速測定儀上的游標卡尺測得，頻率可由低頻信號發生器上的頻率計讀得，根據V???f，就可求出聲速。

3．2．2 兩個相互垂直諧振動的合成法（簡稱相位法）

在示波器熒光屏上就出現兩個相互垂直的同頻率的諧振動的合成圖形——稱為李沙如圖形。其軌跡方程為：

?X??Y?2XY?Cos??2??1??Sin2??2??1??????????A1A2 ?A1??A2?（5）

在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當相位差22????2??1?0時，由（5）式，得y?A2xA1，即軌跡為一條處在于第一和第三象限的直線[參見圖16—2(a)]。

2yx??1????2??1?222時，得A1A2當，軌跡為以坐標軸為主軸的橢圓 ?2當????2??1??時，得

y??A2xA1，軌跡為處于第二和第四象限的一條直線。

改變S1和S2之間的距離L，相當于改變了發射波和接受波之間的相位差（????2??1），熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個波長（即?L?Ln?1?Ln?)2，位相差??就變化?。隨著振動相位差從0→?的變化，李沙如圖形就按圖16——2(a)→（b）→(c)變化。因此，每移動半個波長，就會重復出現斜率符號相反的直線。測得波長和頻率f，根據V?f?，就可計算出聲速。?

4、教學內容

（1）熟悉聲速測定儀

該儀器由支架、游標卡尺和兩只超聲壓電換能器組成。兩只超聲壓電換能器的位置分別與游標卡尺的主尺和游標相對定位，所以兩只換能器相對位置距離的變化量可由游標卡尺直接讀出。

兩只超聲壓電換能器，一只為發射聲波用（電聲轉換），一只為接收聲波（聲電轉換），其結構完全相同。發射器的平面端面用以產生平面聲波；接收器的平面端面則為聲波的接收面和反射面。壓電換能器產生的波具有平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時可以控制頻率在超聲波范圍內，使一般的音頻對它沒有干擾。

（2）駐波法測量聲速

1）按圖接好線路，把換能器S1引線插在低頻信號發生器的“功率輸出孔”，把換能器S2接到示波器的“Y input”。

2）打開電源開關，把頻率倍乘按鈕×10K壓入，調節幅度電位器，使數碼顯示屏讀數5--8V電壓,電壓衰減按鈕為20dB；波形選擇為正弦波（彈出狀態）。

3）壓入示波器電源開關，把示波器Y衰減開關VOLTS/DIV置0.5v檔，Y輸入方式置AC位。掃描檔TIME/DIV為20us，觸發源（觸發TRIG）選擇“內同步INT”；觸發方式為“自動”。

4）移動S2位置，目測S1與S2的距離為3cm左右，調整低頻信號發生器的“頻率調節”波段開關，調節頻率微調電位器，使數碼顯示屏的頻率讀數為34.000—36.000KHz范圍。觀察示波器，當屏幕的波形幅度最大時，說明換能器S1處于共振狀態。記下頻率f值（實驗過程中，頻率f不許改變，否則影響實驗數據）。

5）示波器熒幕的波形若不在中央，可調節垂直或水平位移電位器；波形太小（可能不穩定）或太大，可調節Y增益電位器VARIABLE，使波形幅度適中。

6）注意：實驗過程中不要用手觸摸兩個換能器，以免影響測量精確性。

7）向右稍移S2，并調整游標卡尺的微調螺絲，同時觀察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超過屏幕，可調整Y增益VARIABLE，使波形滿屏。記下S2的初始位置L0。8 由近至遠慢慢移動接收器S2，逐個記下九個幅度最大的位置（即Li值）。（3）相位法測聲速 1）把示波器觸發方式選擇“外接”。

2）把示波器的“Y input”接超聲波測速儀的接收器S2,示波器“X輸入”聯接到低頻信號發生器的電壓輸出（不能接同步輸出）。

3）把S2調回距S1大約3cm，移動接收換能器S2，調節游標卡尺微調螺絲，同時觀察示波器的圖形變化，使圖形為“/”，記下S2初始位置LO。

4）由近至遠，慢慢移動S2,并注意觀察圖形變化，逐下記下每發生一次半周期變化（即圖形由“/”直線變到“”直線）接收換能器S2的位置讀數Li值，共測十個數據。

5）實驗完畢，關掉電源，整理好儀器。

5、實驗教學組織及教學要求

（1）教學組織

1）檢查學生的預習實驗報告，同時給學生5-10分鐘時間熟悉儀器，對本實驗有一定的感性認識。

2）講解實驗要點及注意事項，同時以提問的方式檢查學生的預習情況，加深學生對實驗原理的理解。

3）隨時注意學生的實驗操作過程，及時指導解決學生實驗中出現的突發情況。4）檢查每個學生的實驗數據，記錄實驗情況。（2）教學要求

1）能夠利用以前學過的示波器使用方法設計本實驗有關示波器的調節步驟； 2）能夠理解駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度的原理； 3）要求能夠理解影響聲波傳播速度的幾個因素；準備報道實驗結果。

6、實驗教學重點及難點

1）重點：掌握用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。進一步熟練掌握示波器、低頻信號發生器的使用方法。

2）難點：獨立設計本實驗有關示波器的調節步驟；準確判斷是否形成駐波。

7、實驗中容易出現的問題

1）換能器未達到共振狀態就記錄聲波頻率；

2）待測聲波在兩個換能器之間并未形成駐波，就開始進行測量； 3）記錄實驗數據時漏掉室溫。

8、實驗參考數據

1）駐波法測量聲速

共振頻率f=34.583KHz

表1 駐波法測量波長的測量數據

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 逐差法處理表1數據 標準偏差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

合成不確定度為

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

3頻率f不確定度聲速V的相對不確定度

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

聲速的計算

V? 22f(Li?5?Li)?34.583?25.832?357.34(m/s)55

聲速V不確定度為

uV?VEV?357.34?0.006?3(m/s)

室溫時聲速結果表達式：

?V?V?uV?357.34?0.006(m/s)(p?0.683)??EV?0.6%

2）相位法測量聲速

參考駐波法。

9、實驗結果檢查方法

1）聲波的頻率值是否與實驗中所用換能器的共振頻率值相符； 2）形成相鄰兩個駐波時的接收換能器位置合理；

3）相位法中，圖形由“/”直線變到“”直線，或由“”直線變到“/”直線，接收換能器S2的位置讀數合理。

10、課堂實驗預習檢查相關題目

1）如何調節示波器使其能用來觀察某電信號的波形？ 2）如何判斷換能器是否共振？ 3）如何正確讀取換能器的位置？

4）如何利用示波器觀察兩個相互垂直的電信號的合成圖形？

11思考題

1）為什么需要在駐波系統共振狀態下進行聲速的測量？

2）是否可以用上述方法測量聲波在液體或固體中的傳播速度？如何進行？

3）用駐波法測量聲速時，改變S1和S2之間的距離時，示波器上的波形振幅有時極大有時極小。說明極大或極小時，接收器S2是處于波腹還是波節位置？

第二篇：聲速的測定實驗報告

聲速的測定實驗報告

1、實驗目的

（1）學會用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。（2）進一步掌握示波器、低頻信號發生器的使用方法。（3）學會用逐差法處理數據。

2、實驗儀器

超聲聲速測定儀、低頻信號發生器DF1027B、示波器ST16B。

3、實驗原理

3．1 實驗原理

聲速V、頻率f和波長λ之間的關系式為V?f?。如果能用實驗方法測量聲波的頻率f和波長λ，即可求得聲速V。常用的測量聲速的方法有以下兩種。

3．2 實驗方法

3．2．1 駐波共振法（簡稱駐波法）

S1發出的超聲波和S2反射的超聲波在它們之間的區域內相干涉而形成駐波。當波源的頻率和駐波系統的固有頻率相等時，此駐波的振幅才達到最大值，此時的頻率為共振頻率。

駐波系統的固有頻率不僅與系統的固有性質有關，還取決于邊界條件，在聲速實驗中，S1、S2即為兩邊界，且必定是波節，其間可以有任意個波節，所以駐波的共振條件為：

L?n,n?1,2,3??2（1）

即當S1和S2之間的距離L等于聲波半波長的整數倍時，駐波系統處于共振狀態，駐波振幅最大。在示波器上得到的信號幅度最大。當L不滿足（1）式時，駐波系統偏離共振狀態，駐波振幅隨之減小。

移動S2，可以連續地改變L的大小。由式（1）可知，任意兩個相鄰共振狀態之間，即

?S2所移過的距離為：（2）

??可見，示波器上信號幅度每一次周期性變化，相當于L改變了2。此距離2可由超聲聲速測定儀上的游標卡尺測得，頻率可由低頻信號發生器上的頻率計讀得，根據V???f，就可求出聲速。

3．2．2 兩個相互垂直諧振動的合成法（簡稱相位法）

在示波器熒光屏上就出現兩個相互垂直的同頻率的諧振動的合成圖形——稱為李沙如圖形。其軌跡方程為： ?L?Ln?1?Ln??n?1??2?n??2???X??Y?2XY?Cos??2??1??Sin2??2??1??????????A1A2 ?A1??A2?（5）

在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當相位差22????2??1?0時，由（5）式，得y?A2xA1，即軌跡為一條處在于第一和第三象限的直線[參見圖16—2(a)]。

2yx???1????2??1?222時，得A1A2，軌跡為以坐標軸為主軸的橢圓 當

2當????2??1??時，得

y??A2xA1，軌跡為處于第二和第四象限的一條直線。

改變S1和S2之間的距離L，相當于改變了發射波和接受波之間的相位差（????2??1），熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個波長（即?L?Ln?1?Ln?)2，位相差??就變化?。隨著振動相位差從0→?的變化，李沙如圖形就按圖16——2(a)→（b）→(c)變化。因此，每移動半個波長，就會重復出現斜率符號相反的直線。測得波長和頻率f，根據V?f?，就可計算出聲速。?

4、實驗內容

（1）熟悉聲速測定儀

該儀器由支架、游標卡尺和兩只超聲壓電換能器組成。兩只超聲壓電換能器的位置分別與游標卡尺的主尺和游標相對定位，所以兩只換能器相對位置距離的變化量可由游標卡尺直接讀出。

兩只超聲壓電換能器，一只為發射聲波用（電聲轉換），一只為接收聲波（聲電轉換），其結構完全相同。發射器的平面端面用以產生平面聲波；接收器的平面端面則為聲波的接收面和反射面。壓電換能器產生的波具有平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時可以控制頻率在超聲波范圍內，使一般的音頻對它沒有干擾。

（2）駐波法測量聲速

1）按圖接好線路，把換能器S1引線插在低頻信號發生器的“功率輸出孔”，把換能器S2接到示波器的“Y input”。

2）打開電源開關，把頻率倍乘按鈕×10K壓入，調節幅度電位器，使數碼顯示屏讀數5--8V電壓,電壓衰減按鈕為20dB；波形選擇為正弦波（彈出狀態）。

3）壓入示波器電源開關，把示波器Y衰減開關VOLTS/DIV置0.5v檔，Y輸入方式置AC位。掃描檔TIME/DIV為20us，觸發源（觸發TRIG）選擇“內同步INT”；觸發方式為“自動”。

4）移動S2位置，目測S1與S2的距離為3cm左右，調整低頻信號發生器的“頻率調節”波段開關，調節頻率微調電位器，使數碼顯示屏的頻率讀數為34.000—36.000KHz范圍。觀察示波器，當屏幕的波形幅度最大時，說明換能器S1處于共振狀態。記下頻率f值（實驗過程中，頻率f不許改變，否則影響實驗數據）。

5）示波器熒幕的波形若不在中央，可調節垂直或水平位移電位器；波形太小（可能不穩定）或太大，可調節Y增益電位器VARIABLE，使波形幅度適中。

6）注意：實驗過程中不要用手觸摸兩個換能器，以免影響測量精確性。

7）向右稍移S2，并調整游標卡尺的微調螺絲，同時觀察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超過屏幕，可調整Y增益VARIABLE，使波形滿屏。記下S2的初始位置L0。8 由近至遠慢慢移動接收器S2，逐個記下九個幅度最大的位置（即Li值）。（3）相位法測聲速

1）把示波器觸發方式選擇“外接”。

2）把示波器的“Y input”接超聲波測速儀的接收器S2,示波器“X輸入”聯接到低頻信號發生器的電壓輸出（不能接同步輸出）。

3）把S2調回距S1大約3cm，移動接收換能器S2，調節游標卡尺微調螺絲，同時觀察示波器的圖形變化，使圖形為“/”，記下S2初始位置LO。

4）由近至遠，慢慢移動S2,并注意觀察圖形變化，逐下記下每發生一次半周期變化（即圖形由“/”直線變到“”直線）接收換能器S2的位置讀數Li值，共測十個數據。5）實驗完畢，關掉電源，整理好儀器

5、實驗參考數據

1）駐波法測量聲速

共振頻率f=34.583KHz

表1 駐波法測量波長的測量數據

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 逐差法處理表1數據

152SL?L?vLi?5?Li?I?5in?1i?1標準偏差=0.036mm CnSLi?5?Li?1.65?0.036?0.06?vLI?5?Li

uB??m3?0.023?0.012mm

合成不確定度為

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

3頻率f不確定度聲速V的相對不確定度

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

聲速的計算

V? 22f(Li?5?Li)?34.583?25.832?357.34(m/s)55

聲速V不確定度為

uV?VEV?357.34?0.006?3(m/s)

室溫時聲速結果表達式： ?V?V?uV?357.34?0.006(m/s)(p?0.683)??EV?0.6%

2）相位法測量聲速

參考駐波法。

6.結論：1)實驗測量結果與理論值接近，是誤差允許范圍。2）相位法測量優于駐波法測量。

7.誤差分析：1）共振頻率的不穩定。2）換能器的不完全平行。3）示波器上振幅極大值的不穩。4）隨著換能器的距離的增加能量會有減弱。5）測量時會含有回程差。

第三篇：傳熱系數K的測定(教案)

化工原理實驗教案

實驗四

換熱系數K的測定

實驗四

換熱系數K的測定

一、實驗目的

1、了解間壁式傳熱元件的研究和傳熱系數測定的實驗組織方法。

2、掌握借助于熱電偶測量進出口溫度的方法

3、學會傳熱系數測定的試驗數據處理方法

4、了解影響傳熱系數的因素和強化傳熱的途徑

二、實驗任務

1、在空氣－水列管換熱器中，測定兩個不同水流量時一系列空氣流量條件下冷、熱流體進出口溫度。

2、通過熱量衡算方程式和傳熱速率方程式計算總傳熱系數的實驗值。

三、實驗原理

間壁式傳熱裝置的傳熱過程是冷熱流體通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換，它是由熱流體熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱過程所組成。在定態條件下，并忽略壁面內外表面的差異，則各環節的熱流密度相等，即：

QT?TwTw?twtw?tq??1???1 A?h??c則： q?1?h?1T?t推動力??1????c阻力

1式中 ?h、?、?分別為各傳熱環節對單位傳熱而言的熱阻，工程上通常將c其寫為Q=KA(T-t)，那么換熱系數為：

K?1?h11?????c

由于冷流體的溫度沿加熱面是連續變化的，且此溫度差與冷、熱流體溫度成線形關系，故將推動力（T－t）用換熱器兩端溫差的對數平均溫差表示，即：Q=KA△tm（1）。對于一定態雙管程列管換熱器，熱流體走殼程，體積流量為Wh，進口溫度為T1，出口溫度為T2；冷流體走管內，體積流量為Wc，進口溫度為t1，出口溫度為t2，熱流體放出的熱量等于冷流體得到的熱量，即：

化工原理實驗教案

實驗四

換熱系數K的測定

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

K?Wc?Cpc(t2?t1)A?tm

式中：A由換熱器的結構參數而定，冷流體的體積流量Wc通過流量計測定，熱流體進口溫度T1和出口溫度T2，冷流體的進口溫度t1和出口溫度t2，均由溫度計測定，Cpc由冷流體的進出口平均溫度決定。

四、實驗裝置和流程

五、實驗步驟

1、打開裝置總控制開關；

2、緩慢打開冷卻水轉子流量計閥門，調節冷水流量為40L/h；

3、先打開空氣流量調節閥門（旁通閥），再啟動風機（為什么？－）；

4、調節旁通閥的開度，使空氣流量為10 L/h；

5、打開氣體加熱器的加熱電源，調節加熱電壓控制熱空氣進口溫度恒定在120～130之間任何某一刻度，待冷、熱流體出口溫度顯示值保持10min以上不變時采集實驗數據；保持冷水流量為40L/h，在空氣流量分別為15、20、25L/h條件下采集相應實驗數據，化工原理實驗教案

實驗四

換熱系數K的測定

6、調節冷水流量為20L/h，在空氣流量分別為10、15、20、25L/h條件下采集實驗數據。

7、實驗結束時，先關調壓變壓器開關，停止加熱，將冷卻水和空氣流量調至最大，將裝置冷至室溫后，再將其流量調至最小，關閉總水閥和氣泵；

8、上機處理實驗數據，并打印處理結果，每小組打印一份。

六、思考題

1、啟動風機前為什么要打開旁通閥？

2、為何要先打開熱空氣流量計閥門，再打開電源加熱？

3、在整個實驗過程中，如何控制熱空氣進口溫度恒定？

七、注意事項

1、啟動風機前先打開旁通閥。

2、先打開空氣流量計閥門，再打開電源加熱。

3、在整個實驗過程中，通過調節加熱電壓控制熱空氣進口溫度恒定在120～130之間任何某一刻度。

4、待冷、熱流體出口溫度顯示值保持10min以上不變時方可同時采集實驗數據。

八、作業

1、上機處理數據，并打印處理結果，每小組打印一份。

2、完成實驗報告，應包含：實驗目的、實驗原理、實驗流程、實驗步驟、原始數據、計算示例，討論等，其中對計算示例，同一小組同學不得采用同一組數據處理。

第四篇：X-51及高超聲速飛行器簡介

美國X-51A飛行器及總體設計及其關鍵技術簡介

Xxx

摘要：從計劃的背景、飛行器的構造、熱防護材料研發測試以及實際飛行試驗等方面對X-51A的發展計劃作了較為詳細的介紹,并據此對美國發展高超聲速飛行技術的研究流程和理念有個一定的了解與認識。

關鍵詞：X-51A 高超聲速導彈 熱防護系統

結構材料 飛行器

引言：美國自二十世紀九十年代啟動“全球敏捷打擊”計劃以來，一直處于低速發展過程中，該計劃近期開始迅速升級，從改造“三叉戟”導彈開始，美國正推出一系列先進攻擊武器概念，包括飛機、無人機和導彈。其中，X-51高超聲速巡航導彈是美國武器庫目前速度最快的全球打擊武器，可以在一小時內攻擊地球上任一目標。項目概況

巡航導彈在美國武器系統中具有特殊的地位，在未來信息化戰爭中，巡航導彈不要要成為首選的打擊武器，也是美軍實行遠程軍事打擊的必備武器。

美國于20世紀90年代啟動的“全球敏捷打擊”計劃自推出以來一直處于低速發展過程中,直至近年該計劃開始迅速發展。美國從改造三叉戟導彈開始,陸續推出一系列的先進攻擊武器概念,包括新一代的飛機、無人機和導彈。

X-51A計劃是由美國空軍研究試驗室(AFRL)、國防高級研究計劃局(DARPA)、NASA、波音公司和普惠公司聯合實施的旨在驗證高超聲速飛行能力的計劃。終極目標是發展一種馬赫數達到5~7的可以在1 h內進行全球打擊的武器,包括快速響應的空間飛行器和高超聲速巡航導彈。X-51A于2010年2月中旬進行了首次高超聲速飛行試驗。

X-51A的首飛創造了又一個人類歷史記錄 — — —超燃沖壓發動機推進的歷時最長的高超聲速飛行,刷新了 X2 43創造的 12 s的記錄。X2 51A首飛的成功意味著 , 超燃沖壓發動機將提供一種全新的快速全球打擊能力。據稱,該高超聲速導彈將能夠在 60 min內實施全球打擊。美國國防部 /NASA的 X2 51A項目則是這一新型武器系統方案的關鍵部分。X2 51A的飛行試驗對于空間進入、偵察、打擊、全球到達以及商業運輸等都有重要意義。X-51A計劃的背景

美國空軍認為,高超聲速推進技術是美國亟須發展的關鍵領域之一,為了達到這一目的,必須走“階梯式發展”的道路。1979年首次發射的先進戰略空射導彈(ASLAM)是早期的高超聲速導彈,它使用高速沖壓發動機實現了馬赫數為5.5的飛行,雖然達到了高超聲速,但由于沖壓發動機的燃燒是在亞聲速狀態下進行,效率非常低。解決這一問題的方法是使用超燃沖壓動機,于是X-51A計劃應運而生。

20世紀90年代中期,國家空天飛機(NASP,NationalAerospace Plane)計劃終止后,美國空軍轉而投資HyTech(Hypersonic Technology)計劃以延續其對高超聲速技術的研究。2004年1月, AFRL選擇波音公司與普惠公司共同制造SED-WR的驗證機,由波音公司制造機身,普惠公司生產發動機。2005年9月,美國空軍正式將該計劃編號為X-51A。X-51A計劃的主要目的之一是對美國空軍的HyTech超燃沖壓發動機進行飛行試驗。這種發動機使用吸熱型碳氫燃料,能將飛行器的飛行馬赫數從4.5提升到6.5。

但是，高超聲速技術有幾大難點：新動力裝置的制造及新燃料的選擇；動力裝置和飛行器機體的連接；新型耐高溫材料的研制；飛行器各子系統和整體控制系統的研究。X-51A飛行器的整體構造

X-51A飛行器的整體構造如圖1所示,它是由巡航體、級間以及助推器三部分組成,整個飛行器長7.62 m,質量1 780 kg,最大寬度為584.2 mm,其中巡航體長4.27 m,質量為671 kg。X-51A的主體部分是在金屬材料的基本結構外覆蓋著輕質TPS泡沫與陶瓷材料。機體部分的框架板壁等由鋁制成。前鼻端內部是金屬鎢,外部則是二氧化硅隔熱層,其作用是承受飛行器頭部高強度的氣動熱載荷,并實現縱向配平,以保證飛行器的縱向穩定性。巡航體與機體的過渡部分采用了鉻鎳鐵合金,目的是阻止熱量傳導到飛行器的其余部分。巡航體與級間部分的蒙皮,包括助推器的四個全動尾翼均為鋁制。此外,為了在推進段保持穩定,助推器上還另外安裝了兩個鋁制的水平尾翼。超燃沖壓發動機的艙壁則是用由燃料冷卻的薄壁鉻鎳鐵合金板制成,巡航體的四個可動小翼除在前緣采用了碳-碳復合熱結構材料外,也均使用鉻鎳鐵合金制成。整個飛行器僅在級間部分的某些結構以及助推器的尾錐上使用了鈦合金。助推器的外表面仍由鋼制成,不過鋼質的尾噴管被加長了以獲得更大的膨脹率,從而提高性能。

X-51A SED的主要設計工作是運用經風洞試驗數據驗證的計算工具來完成的。它用CART3D軟件計算所得的歐拉解以及OVERFLOW軟件計算得到的Navier-Stokes解建立起了全面的空氣動力學數據庫,在約80多套網格上運行了近2 000個算例,用以對安全分離、氣動加熱、飛行器性能、邊界層轉捩以及尾翼偏轉等各個方面進行研究。同時,對整個飛行器及巡航體進行了超過1 700 h、3 200余次風洞試驗,利用試驗結果驗證并完善了數據庫。

4超燃沖壓發動機

高超聲速武器引起速度極大，必然需要有強大動力性能的發動機，美國空軍一直致力于超然發動機的研究。X-51驗證機的一個重要任務就是對超然發動機的性能參數進行驗證。超燃(超聲速燃燒)沖壓發動機是沖壓發動機的一種,它的特征是吸入發動機燃燒室內的空氣流的速度為超聲速,而普通沖壓發動機內氣流速度為亞聲速。超燃沖壓發動機的基本組成包括:進氣壓縮管(由于飛行器的高速飛行,吸入的空氣受到壓縮),燃燒室(燃料與壓縮空氣混合,燃燒),噴嘴(通過它以高于進氣口空氣流的速度排出燃燒產物,產生推力)。沖壓發動機是靠吸入的空氣流作為助燃劑工作。進入超燃沖壓噴氣發動機的空氣流的速度是超聲速,因而會產生一定的沖擊波,如何實現不打亂、不中斷吸入的空氣流,并保持發動機不熄火連續有序地工作,這正是超燃沖壓發動機要解決的難題。在超聲速環境下把空氣流的速度降低后再進入沖壓噴氣發動機,將限制發動機最終的運轉速度。另一方面,產生的沖擊波會壓縮空氣流,使進入發動機的空氣流的速度達到高超聲速,經過適當的隔離器調節后擠進燃燒室的氣流將獲得相對穩定的壓力,實現更完全的燃燒。進入燃燒室的壓縮氣流與注入的燃料混合、點火、燃燒,然后通過噴嘴將燃燒后的產物以高于入口處空氣的速度排出,從而產生前進的推力。5.飛行器熱防護系統

X-51飛行器首次突破了高超聲速飛行熱障礙，因加速后可達到馬赫數5~7，與大氣的摩擦可產生大量的熱，如果不采取恰當的熱防護措施，飛行器性能必定會受巨大影響甚至燒毀。為此X-51飛行器采取了一系列措施。5.1防護材料

X-51A的主體部分用金屬材料制造,基本結構外覆蓋燒蝕泡沫FRSI與熱障陶瓷BRI-16。為阻止熱量傳導到飛行器的其余部分,彈頭與彈體的過渡部分采用鉻鎳鐵合金制造。巡航彈體部分的框架、板壁以及導彈彈體與級間部分的蒙皮、包括推進器推進器的尾錐上使用鈦金屬材料,推進器的外表面用鋼制造,如圖3所示。X-51A飛行器為了承受巡航導彈頭部高強度的

氣動熱載荷,實現縱向配平,以保證導彈的縱向穩定性,飛行器前鼻端使用金屬鎢制造,外覆二氧化硅(SiO2)隔熱涂層。5.2 發動機熱防護結構

X-51A飛行器的超燃沖壓發動機使用常規燃料JP-7作為冷卻劑。發動機進氣道入口之前的斜面上涂覆二氧化硅(SiO2)陶瓷瓦,超燃沖壓發動機的艙壁用鉻鎳鐵合金板制成,發動機艙內部裝有柔性可重復使用的表面隔熱(Flexible Reusable Surface Insula-tion, FRSI)材料,以阻隔發動機對彈體的熱輻射。5.3 飛行器熱防護系統

X-51A飛行器采用被動熱防護系統,熱防護材料主要為泡沫和陶瓷瓦。陶瓷瓦是波音公司研制的可重復使用隔熱陶瓷瓦BRI-16,陶瓷瓦用在機體脊部需要尖銳前緣的部分和進氣道斜面上。陶瓷瓦粘貼到變形隔離墊上,變形隔離墊會吸收因陶瓷瓦和下面鋁蒙皮膨脹率差異而引起的變形。飛行器的上表面(大面積區域)采用FRSI進行熱防護, FRSI上面覆蓋著一層由波音公司研制的輕質變厚度燒蝕(BLA-S)泡沫。

6.飛行試驗計劃

X-51A的飛行試驗包括四次飛行,預計自2009年8月開始。X-51A由B-52H轟炸機攜帶升空,自母機投放后經火箭推進至超燃沖壓發動機的工作高度及飛行馬赫數,然后超燃沖壓發動機點火,將飛行器由馬赫數4.5加速到6的巡航速度。X-51A掛載于B-52H的左翼下,投放前與B-52H上的監測設備保持通訊,并通過電纜自母機獲得電力供應。在通過各項飛行安全審核后,飛行試驗計劃于2009年初開始實施。4月至5月進行地面測試,并根據測試結果于5月進行第一次飛行前的審核, 6月進行X-51A的掛載測試, 7月由B-52H攜帶X-51A做一次彩排飛行。X-51A的第一次自由飛試驗安排在2009年8月,第二次計劃于8周后進行,第三與第四次飛行則分別于11月和12月進行,后三次飛行試驗的間隔時間均為6周,計劃將于2010年結束。

7.x-51飛行器前景及對我國國防事業的啟示

X-51A代表了航空技術的最前沿，一旦投 入使用，它將實現快速全球打擊計劃的目標 兩 小時到達世界任何地方，雖然目前X-51A離實 戰化還有很遠的距離，但我們必須對高超聲速 飛行器加以足夠的重視，必須將發展高超聲速 武器納入武器裝備發展的長遠目標 具體而言，可從以下方面入手

（1）高超聲速技術的研究試驗計劃是一項復雜的系統工程，我們應該借鑒美國的技術研究方向，同時堅持自主創新，以在將來的信息化戰爭中不處于劣勢；（2）必須進行深入的設計及需求論證以確 立對高超聲速武器系統的作戰需求，并確定具 體的設計目標；（3）應加強相關技術研究領域的投入和教育的改革，為我國國防事業培養更多的優秀人才，擔負未來保衛國家安全的職責 參考文獻：

[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] 宮朝霞，李文杰．ATC M框架下的美國高速/高超聲速研發計劃[J]．飛航導彈，2008(3)．

6] 宋博，沈娟.美國的X-51A高超聲速發展計劃[J].飛航導彈，2009（5):24-27.[7] 沈劍，王偉.國外高超聲速飛行器研制計劃[J].飛航導彈，2006（8):1-9.[8] 宮朝霞，李文杰.美國NAI的高速與高超聲速科技計劃[J].飛航導彈，2007（11)： 55-58

第五篇：流體流動阻力的測定(教案)

化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

實驗二 流體流動阻力的測定

難點：因次分析方法對工程實際問題的分析解決； 重點：測定流體經直管和管件時阻力損失的實驗組織法； 課時：4學時，其中實驗講解約1學時，學生完成實驗3學時；

流體流動阻力測定是化工領域中最重要的實驗之一，是運用因次分析方法的理論來具體解決復雜工程問題的實例，通過實驗掌握工程實驗的基本實驗技能。

一、實驗目的

1.熟悉測定流體經直管和管件時阻力損失的實驗組織法及測定摩擦系數的工程意義；

2.學會用因次分析方法解決工程實際問題； 3.學會壓差計、流量計的使用方法；

4.學會識別組成管路中各個管件，閥門并了解其作用。

二、實驗任務

1.測定特定ε/ d條件下直管摩擦系數和雷諾數的關系。2.測定流體流經閥門和彎頭時的阻力系數。

三、實驗原理

由于流體粘性的存在，流體在流動的過程中會發生流體間的摩擦，從而導致阻力損失。層流時阻力損失的計算式是由理論推導得到的；湍流時由于情況復雜得多，未能得出理論式，但可以通過實驗研究，獲得經驗的計算式。

1、直管阻力——采用因次分析法規劃實驗：（1）影響過程的主要因素

hf =f(d, u,ρ,μ, l,ε)湍流時直管阻力損失hf與的大小取決于流體的物性（密度ρ、粘度μ）、流動狀況（流速u）及流道的幾何尺寸和形狀（內直徑d、長度l、管壁粗糙程度ε），若每個自變量的數值變化10次，測取hf的值而其它自變量保持不變，6個自變量，根據正交網絡法規劃，實驗次數將達10。

6化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

2、因次分析法規劃實驗因次分析法是通過將變量組合成無因次數群，從而研究無因次數群之間的關系，大大減少實驗自變量的個數，大幅度地減少實驗次數。在物理方程因次一致性的條件下，任何一個方程都可化為無因次方程；原方程共有7個變量；它們的因次分別為：d--[L]；u--[LT－]；ρ– [ML－]；μ--[ML－

113T－]；ε--[L]；h f--[LT－]，其中有[L]、[M]、[T] 3個基本因次；根據無因122次方程的變量總數等于原方程變量總數和基本因次數之差，可得無因次數群的個數π=7-3=4個。

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

由因次分析法可將對h f =f(d, u,ρ,μ, l,ε)的研究轉化成對無因次數群π4 =f（π1，π2，π3）之間關系的研究，即：

du?l??f(，)2u?dd'hf實驗工作量將從106次實驗 → 103次實驗，若實驗設備已定，則：

du??lu2hf?f(,)???dd2 實驗次數又將從103次實驗 → 102次實驗，從而，實驗工作量大大降低。若實驗設備是水平直管，阻力損失表現為壓強的降低，即：

?Pdu??lu2?f(,)????dd2 2 化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

所以

du????f(,)2?ld?Pu?????d2其中

在實驗裝置和物系已確定的情況下，摩擦系數λ只隨Re而變，實驗操作變量僅是流量，通過閥門的開度改變流量，用流量計測定流速，由壓差計測定壓差，用溫度計測定物系溫度，從而確定ρ和μ。

四、實驗裝置

光滑直管為不銹鋼管，管徑20.5mm，測壓點間長度2m；粗糙直管為鍍鋅管，管徑20.5mm，測壓點間長度2m；兩根管并聯，通過球閥控制，直管和彎頭的壓強損失使用水銀壓差計測定，閘閥的壓強損失通過氯仿壓差計測定。

化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

實驗介質為自來水，置于水箱內循環使用，通過離心泵輸送，用流量計測定流速，用出口控制閥調節流量（注意：出口控制閥的安裝位置，流量調節閥一般不設在吸入側，以免在關小閥門使發生氣蝕現象，也不宜裝在離泵很遠的出口線上否則，在調節閥前面管段內若有積存空氣時會發生泵的喘振，通常在靠近出口的管上安裝流量調節閥）。

五、實驗步驟

1、實驗準備：對照實驗流程圖，熟習實驗裝置及流程，識別組成管路中各個管件、閥門、壓差計并了解其作用；檢查軸承潤滑情況，用手轉動聯軸節看其是否轉動靈活；同時將水箱充水至80％。

2、打開壓差計平衡閥、四個引壓閥和切換閥；關閉各放氣閥和離心泵的出口控制閥，啟動電源。（為什么？——離心泵在啟動時關閉出口閥門，可使軸功率低，以免電機燒壞；同時，在出口閥全開的情況下開動離心泵，管內流量瞬間達到最大值，壓差計也會隨著迅速上升，這樣很可能導致壓差計中的指示液被沖走）。

3、系統排氣（為什么？——氣體的存在會影響壓力傳遞，導致測量誤差）。? 管路排氣：先將控制閥開足然后再關閉，重復三次，排走總管中的大部分氣體，然后打開總管排氣閥，開足然后再關閉，重復三次。（注意平衡閥處于開啟狀態）

? 引壓管排氣：依次分別對六個放氣閥，開關重復三次，應保持平衡閥在開啟狀態。

? 壓差計排氣：關閉平衡閥，緩慢旋動壓差計上放氣閥排除壓差計中的氣泡，注意：此時眼睛要注視著U型壓差計中的指示液面的上升，先排進壓管，后排低壓管（嚴防壓差計中水銀沖走），排氣完畢。

4、檢驗排氣是否徹底。（如何檢驗？——將出口控制閥打開至最大，再關閉出口閥，看U型壓差計讀數，若左右讀數相等，說明排氣徹底，若左右讀數不等，重復上述3排氣順序。

化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

5、實驗布點（如何布點？——將控制閥開至最大，讀取流量顯示儀讀數F大，然后關至水銀壓差計差值約0.08時，再讀取流量顯示儀讀數F小，確定流量范圍，在F大和F小之間布12～14個點，其中在大流量時少布點，小流量時多布點，這是由于Re在充分湍流區時λ～Re的關系是直線，所以在大流量時少布點，而Re在比較小時λ～Re的關系是曲線，所以在小流量時多布點。

6、測定：通過控制閥調節管道中的流量，從流量儀讀出一系列流量，從相應的壓差計讀取壓差。

7、開啟切換閥，測定另一根直管。

8、實驗結束后，打開壓差計上的平衡閥，先關閉控制閥后，再關閉泵（為什么？——防止出口管內的流體倒流使葉輪受損），排出水槽內的水（為什么？避免設備的銹蝕和凍裂），實驗裝置恢復原狀，并清理實驗場地。

9、上機處理實驗數據，并打印處理結果，每小組打印一份。

六、思考題

1.本實驗裝置采用了哪種型式的泵，操作時要不要灌水？ 2.流體在管路中流動產生阻力的起因是什么？它取決于哪些因素？

3.實驗數據測定前，為什么一定要排氣？如何排氣？如何檢查氣是否排凈？

七、注意事項

1、啟動電源時，應打開壓差計平衡閥和四個引壓閥，關閉各放氣閥，關閉離心泵的出口控制閥。

2、在排氣時，應嚴防壓差計中的指示液被沖走。

3、測定數據前必須對管路及測壓系統進行排氣，并檢查空氣是否確實排盡。

4、兩根并聯管共用一個流量計及測壓裝置，實驗中只能逐根測定；進行管道切換時，一定要先打開待測管道閥門，再關閉當前管道閥門。

5、測定時待流量穩定后再讀數。

八、作業

1、上機處理數據，并打印處理結果，每小組打印一份。

化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

2、完成實驗報告，應包含：實驗目的、實驗原理、實驗流程、實驗步驟、原始數據、計算示例，討論等，其中對計算示例，同一小組同學不得采用同一組數據處理。