技术摘要：
一种多功能热工流体综合实验测量设备及使用方法，包括鼓风机、扩张段、加热金属网、燃气流道实验段、有孔气膜组件、基体、安装法兰、气膜孔、热电偶温度采集器、加热金属膜、微压计、测压水排、气膜组件安装口、冷气流道实验段、热电偶、条状粗糙元、柱状粗糙元、收缩  全部
背景技术：
“热工流体”课程包括工程热力学、传热学和流体力学，是能源与动力类、航空航天 类、石油化工类等工科专业重要基础课，在这些专业的人才培养中占有重要地位，在对学生 讲授热工流体课程的同时，往往开设有相应的热工流体实验课程用以加强学生对知识的理 解和运用。传统热工流体实验内容单一，通常仅针对单一学科中极少的知识点进行。内容单 一使得学生在实验中无法提高综合运用多学科知识的能力。同时，传统热工流体实验多为 验证性实验和演示性实验，形式固定，使得学生只能按照流程进行，严重限制了学生发挥空 间，不利于学生创新思维的培养。此外，传统热工流体实验专业背景较弱。不同专业的学生 通过几乎相同的热工流体实验来验证最简单的热工流体课程规律，这显然不能有针对性地 培养各专业学生，做到在学生通过热工流体实验学习理论知识的同时加深对自己所学专业 的理解。因此，亟需一种内容丰富综合、形式多样、富有创新性且与学生专业背景结合密切 的热工流体实验方案，使热工流体课程的实验教学环节发挥良好作用，以满足当下社会对 教育提出的更高要求。
技术实现要素：
针对现有热工流体实验方案存在的不足，本发明提供了一种多功能热工流体综合 实验测量设备及使用方法。结合能源与动力类专业所学知识，尤其是以飞行器动力工程专 业的航空发动机结构课程中讲解的涡轮叶片结构为背景，综合运用传热学、流体力学、工程 热力学、工程测试技术、发动机构造五门课相关知识，设计带粗糙元的流动传热实验过程， 理解流动阻力和强化换热之间的关系。立足于开放性、设计性和综合性。提高学生准确使用 仪器设备和综合分析基础理论知识的能力，以满足不断提高的实验教学要求。 一种多功能热工流体综合实验测量设备，包括鼓风机、实验流道、温度测量系统及 压力速度测量系统； 所述实验流道为实验设备主体，分为冷气流道和燃气流道两部分；所述冷气流道 用以模拟涡轮冷却叶片内部的冷气流动，所述燃气流道用以模拟涡轮冷却叶片外部的燃气 流动；所述燃气流道和冷气流道两者外形及尺寸一致，方便加工替换，均包括扩张段、实验 段、收缩段、节流阀，所述燃气流道的扩张段一端与实验段之间设置有加热金属网，加热金 属网通电发热，加热燃气流道中的气流，使其温度高于冷气流道中的气流温度，所述冷气流 道正对燃气流道的上表面设置有加热金属膜，所述燃气流道和冷气流道的实验段侧壁均设 有测压孔，且燃气流道的底板及冷气流道的顶板上均开设有气膜组件安装口，且测压孔所 在面与气膜组件安装口所在面垂直设置，所述燃气流道垂直交叉布置于冷气流道上方，用 4 CN 111551345 A 说　明　书 2/7 页 以模拟真实状态下涡轮冷却叶片内部和外部的相对流动状态，且两者通过有孔气膜组件或 无孔气膜组件连接，当冷气流道与燃气流道通过有孔气膜组件上的气膜孔相连通，使冷气 流入燃气流道实验段，所述燃气流道和冷气流道的扩张段分别与对应的鼓风机连接，温度 测量系统由热电偶和热电偶温度采集器构成，所述热电偶与热电偶温度采集器连接，热电 偶包括安装于燃气流道和冷气流道实验段进口处及出口处用于测量气流温度的热电偶、分 布于燃气流道实验段有孔气膜组件下游顶板上的热电偶矩阵和分布于冷气流道顶板上的 热电偶矩阵；压力速度测量系统包括微压计、测压水排、三孔针及测压管，所述测压水排通 过测压管分别与燃气流道及冷气流道侧壁上的测压孔连接，测压水排用于测量燃气流道进 和冷气流道各截面压力，燃气流道和冷气流道的出口处均安装有三孔针，微压计通过测压 管与三孔针连接，微压计和三孔针用于测量燃气流道和冷气流道实验段出口的总静压，并 计算出气流速度，所述燃气流道和冷气流道的出口处安装有收缩段，收缩段的圆管部分安 装有节流阀。 所述冷气流道的实验段顶板内表面安装有粗糙元，粗糙元分为条状和柱状粗糙 元，条状粗糙元成行排布于冷气流道实验段顶板内表面上，单个粗糙元与冷气气流方向垂 直或成一定夹角，柱状粗糙元呈矩阵式布置于冷气流道实验段顶板内表面上，粗糙元的横 截面形状为不同长宽比的矩形、三角形、或圆形。 所述有孔气膜组件和无孔气膜组件均包括安装法兰及基体，所述基体中部设置有 向外凸出的安装法兰，当为有孔气膜组件时，基体上开设有气膜孔，气膜孔孔型包括圆孔、 椭圆孔、扩张孔，气膜孔的射流角度分为垂直、顺向、逆向及侧向；当为无孔气膜组件，基体 上不开设气膜孔。 一种多功能热工流体综合实验测量设备的使用方法，仅启动冷气流道时，燃气流 道与冷气流道的气膜组件安装口通过无孔气膜组件连接，包括以下步骤： 步骤1，接通电源，打开冷气流道鼓风机，加热金属膜通电，冷气流道上的热电偶通 电，空气通过冷气流道的鼓风机加压后经由供气管道从冷气流道的扩张段入口流入，经扩 张段扩压减速后流入冷气流道的实验段，冷气流道的实验段顶板上表面粘贴有加热金属 膜，气流流经实验段的过程中被加热，此过程用以模拟冷气在燃气轮机涡轮叶片内部冷气 流道中吸收从叶片外部传入热量的过程；通过在带有加热金属膜的顶板下表面粘贴粗糙元 来模拟叶片内通道的增强换热措施；对冷气流道实验段顶板内表面设置条状粗糙元，实验 采用的条状粗糙元截面是边长为5mm的正方形，相邻粗糙元之间的间距为20mm；通过测压水 排测量冷气流道内各截面静压，通过微压计及三孔针测量冷气流道出口总静压及流速，通 过冷气流道实验段进口与出口处的热电偶测量冷气流道试验段进口与出口处气流温度，通 过冷气流道实验段顶板上的热电偶测量带加热金属膜的顶板的壁面温度分布； 步骤2，将冷气流道实验段的条状粗糙元换成柱状粗糙元，重复步骤1，然后执行步 骤3； 步骤3，将冷气流到实验段的柱状粗糙元拆掉，重复步骤1，然后执行步骤4； 步骤4，处理试验数据并对比分析：通过测量得到的压力数据计算出冷气流道顶板 不安装粗糙元和安装不同类型粗糙元时冷气流道的压力系数；通过测量得到的温度数据计 算出冷气流道顶板不安装粗糙元和安装不同类型粗糙元时，冷气流道壁面换热系数以及换 热系数分布特点；并分析无粗糙元及不同类型粗糙元对换热系数和压力系数的影响，从而 5 CN 111551345 A 说　明　书 3/7 页 完成光滑通道强迫对流换热系数、压力系数，以及带不同类型粗糙元通道强迫对流换热系 数、压力系数的测量。 一种多功能热工流体综合实验测量设备的使用方法，同时启动燃气流道和冷气流 道，燃气流道和冷气流道的气膜组件安装口通过有孔气膜组件连接，并且在冷气流道的顶 板上不设置粗糙元，包括以下步骤： 步骤1，空气通过两台鼓风机加压后分别经由不同的供气管道流入两条彼此垂直 交叉实验流道的扩张段入口，两条流道分别用以模拟涡轮冷却叶片内部的冷气流动和涡轮 冷却叶片外部的燃气流动，冷气流道气流从扩张段入口流入，经扩张段扩压减速后流入冷 气流道的实验段，冷气流道的实验段顶板上表面粘贴有加热金属膜，气流流经实验段的过 程中被加热，此过程用以模拟冷气在燃气轮机涡轮叶片内部冷气流道中吸收从叶片外部传 入热量的过程；燃气流道气流从扩张段入口流入，经扩张段扩压减速后，流经扩张段出口处 与实验段入口处设置的加热金属网对气流升温，升温后的气流流入燃气流道的实验段，此 过程用以模拟涡轮冷却叶片外部的燃气流动；在整个实验过程中，其中大部分冷气通过冷 气流道的实验段出口流出，另外一小部分冷气通过有孔气膜组件上的气膜孔流入燃气流道 内，形成一层气膜减少高温燃气向壁面的热量传递，以降低壁面温度，有孔气膜组件的气膜 孔为射流角度30°的圆形气膜孔，孔径为10mm；通过测压水排测量燃气流道及冷气流道内各 截面静压，通过三孔针及微压计测量燃气流道和冷气流道出口总静压及流速，通过燃气流 道实验段下游顶板上布置的热电偶测量顶板的温度分布； 步骤2，将步骤1中的有孔气膜组件依次更换成射流角度为30°的椭圆形气膜孔的 有孔气膜组件、射流角度为30°的扩张型气膜孔的有孔气膜组件和无孔气膜组件，重复步骤 1，然后执行步骤3； 步骤3，将步骤1中的有孔气膜组件依次更换成射流角度为60°的圆形气膜孔的有 孔气膜组件、射流角度为90°的圆形气膜孔的有孔气膜组件、射流角度为-60°的圆形气膜孔 的有孔气膜组件及射流角度为-30°的圆形气膜孔的有孔气膜组件，重复步骤1，然后执行步 骤4； 步骤4，处理实验数据并对比分析：通过测量得到的压力数据计算出安装不同类型 有孔气膜组件和不同射流角度有孔气膜组件时实验流道的压力系数；通过测量得到的温度 数据计算出安装不同类型有孔气膜组件和不同射流角度有孔气膜组件时，燃气流道实验段 下游壁面气膜冷却效率以及气膜冷却效率分布特点；并分析不同类型有孔气膜组件和不同 射流角度有孔气膜组件对气膜冷却效率和压力系数的影响。 本发明的有益效果是：通过对现有热工流体实验中存在的不足进行分析，本发明 针对不同知识的融合、知识与实际应用的结合，以及学生应用知识解决问题、学生创新思维 的培养几方面进行改进。在有限的实验教学课时内，通过以飞行器动力工程专业涡轮冷却 叶片为背景，结合多门热工流体课程知识的热工流体综合实验，达到更加综合全面的实验 教学效果。此外，更高自由度的实验给学生提供了更多的选择和发挥空间，更有利于培养学 生运用所学思考问题、解释问题、解决问题的能力，充分提高学生的创新思维，起到更好的 教学效果。 具体如下： 1、本发明设计的相对复杂实验装置，有效地将流体力学、传热学、工程热力学等热 6 CN 111551345 A 说　明　书 4/7 页 工流体实验课程的重点知识结合融入到一个综合实验当中，使实验内容丰富且综合。学生 在完成一个实验的过程中会综合应用到各个学科的知识，解决了学生在一个实验中不能综 合运用流体力学、传热学、工程热力学等知识的问题； 2、实验装置结合了飞行器动力工程专业背景，以航空发动机涡轮冷却叶片的内通 道换热与气膜冷却为实验的两大框架，学生在此基础上开展实验，实验过程中学生可以对 航空发动机涡轮冷却叶片的冷却方式、结构以及特性有更加深刻的理解，即学生可以从热 工流体综合实验过程和专业应用联系起来； 3、本发明的实验装置具有多种选择与组合，实验过程自由度高，学生在实验中可 根据自身对实验的理解自行选取不同的组合类型，以此充分调动学生思考问题、解释问题、 解决问题。 4、本实验过程灵活，具有设计性和创新性。学生在实验过程中可以根据实验目的 自行选择实验方案，根据实验方案完成能满足实验目的即可，以此培养学生的思维能力和 设计创新能力。 5、该实验装置可以同时分析《流体力学》中的流阻特性和《传热学》中的换热特性 同步变化规律，即粗糙元结构和布置方式引起的流阻系数和换热系数耦合变化规律，这在 单一的一门课程中是无法实现的。 6、本发明装置可以进行双层壁夹层自然对流换热系数测量、光滑通道强迫对流换 热系数测量、带不同粗糙元通道强迫对流换热系数测量、光滑通道压力系数测量、带不同粗 糙元通道压力系数测量及不同气膜孔的冷却流场显示。在进行不同实验项目时只需进行相 应操作而无需更换实验装置，实验内容更加丰富紧凑。 附图说明 图1为本发明多功能热工流体综合实验测量设备三维示意图； 图2为本发明冷气流道顶板上的热电偶分布图； 图3为本发明燃气流道顶板上的热电偶分布图； 图4为本发明冷气流道内条状粗糙元垂直分布图； 图5为本发明冷气流道内条状粗糙元倾斜分布图； 图6为本发明冷气流道内柱状粗糙元分布示意图； 图7为本发明有孔气膜组件结构三维示意图； 图8为本发明有孔气膜组件剖视图； 1-鼓风机，2-扩张段，3-加热金属网，4-燃气流道实验段，5-有孔气膜组件，501-基 体，502-安装法兰，503-气膜孔，6-热电偶温度采集器，7-加热金属膜，8-微压计，9-测压水 排，10-气膜组件安装口，11-冷气流道实验段，12-热电偶，13-条状粗糙元，14-柱状粗糙元， 15-收缩段，16-节流阀，17-测压管，18-三孔针。