1、教学实验 2009热力学喷管实验指导书哈尔滨市鸿润教学试验设备厂电话：0451-55100010013603653910网址： 1空气在喷管中流动性能测定实验一、实验目的：1、验证和加深理解喷管中气体流动的基本理论。2、观 察 气 流 在 喷 管 中 各 截 面 的 流 速 ， 流 量 ， 压 力 变 化 规 律 及 掌 握 有 关 测 试 方 法 。3、熟悉不同形式喷管的机理，加深对流动的临界状态基本概念的理解。二、实验原理：1、喷管中气体流动的基本规律气体在喷管中作一元稳定等熵流动中，压力降低，流速增加。气流速度 C，密度 及压力 P 的变化与截面 A 的变化及马赫数 Ma（速度与音速之比
2、）的大小有关。它们的变化规律如下表：渐缩管 0dxA渐扩管 0dxAMa dxcpMa dxcp0 01 0 1 0 1）等熵流动中，气体在渐缩管中，速度 C 减小，而压力 P，密度 增大，在渐扩管中，速度 C 增加，压力 P，密度 降低。（3）在 Ma=1，即达到临界流动状态，此时，压力为临界压力，气流速度为音速。2、喷管中流量的计算（1）理论流量：根据气体一元稳定等熵流动中，任何截面上质量流量都相等，且不随时间变化。流量大小由连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体方程，等熵过程方程，得到气体在喷管中流量的计算式：（kg/s）001212022 )()(PVAVCqm式中： 绝热指数0C2出
3、口速度 m/s A2出口截面积 m2V2出口比体积（m 3/kg） P2出口压力（MPa）P1进口压力（MPa ） V1进口比体积（m 3/kg）若：P 1=P2 时 P2=0 时 ，即在 0P 2P c 渐缩喷管的出口压力 P2 或缩放喷0qq管的喉部压力 Pth 降至临界压力时，喷管中的流量达最大值，计算式如下： 120minax, )(1VAk2临界压力 Pc 为： 将 =1.4 代入 Pc=0.528P1100)2(Pc0（2） 、实测流量由于气流与管内壁间的摩擦产生的边界层，减少了流动截面，因为实际流量是小于理论流量，本实验台采用孔板流量计来测量喷管的流量。孔板流量计上所示的压差P（
4、U 型管上读出或传感器测试）。质量流量 qm 与压差P 的关系式为：（kg/s）P41037.式中： 流量膨账系数, a43.气态修正系数,15.27058.at几何修正系数,（标定值）按 1.0 计算。PU 型管压差计读数（mm.H 2O）Pa大气压 ta室温 为了消除进口压力 P1 改变的影响，在绘制各种曲线时采用压力比做座标，绘制出压力曲线 Px /P1X 和流量曲线 Pb/P1 mq由于实验台采用的是真空表测压、因此临界压力 Pc 在真空表上的读数P c 为 1528.0Pacac由于孔板流量计的压降和空气在喷管进口的气流滞止现象，喷管进口压力为： a97.1以汞柱为单位时的孔板流量计
5、压差P )(5.32mHgPO三、实验装置实验装置总图如图 1 所示。主要由真空泵和喷管实验台主体组成。各部件作用及测量过程如下：3图 1 实验台总图图 2 渐缩喷管 图 3 缩放喷管 由于真空泵的抽吸，空气由进气 2 口进入吸气管 1（573.5 的无缝钢管）中，经过孔板流量计3（7）进入喷管。流量的大小可由 U 形管压差计 4 上读出。喷管 5 用有机玻璃制成。备有渐缩喷管与缩放喷管两种型式，如图 2、图 3 所示。可根据实验要求，松开夹持法兰上的螺丝向左推开三轮支架 6，更换所需要的喷管。喷管各截面上的压力，可从可移动的真空表 8 上读出，真空表 8 与内径为1.2 的测压探针 7 相连
6、。探针的顶端封死，在其中段开有径向测压小孔通过摇动手轮螺杆机构 9，可4使探针 7 沿喷管轴线左右移动，从而改变测压孔的位置，进行喷管中不同截面上压力的测量。测压孔的位置，可以由位于可移动真空表 8 下方的指针，在座标板上所指出的 x 值来确定。喷管的排气管上还装有背压 Pb 真空表 10。背压由调节阀 11 调节。真空罐 12 前的调节阀 11 用于急速调节。直径为 400 的真空罐 12 是用于稳定背压 Pb 的作用。为了减少振动，泵与罐之间用软管 13 连接。实验中需测量 4 个变量：（1）测压探针 7 上测压孔的水平位置 x。 （2）气流沿喷管轴线 x 截面上的压力 Px；（ 3）背压
7、 Pb；（ 4）流量 。这 4 个变量可分别用位移指针的位置 x，真空表 8 上的读mq数 P5。背压真空表 10 上的读数 Pb，及 U 形管压差计 4 上的读数P 测得。特别需要注意的是 P5 和 Pb是真空度，计算和绘制曲线时要换算成绝对压力。四、实验步骤1、用座标校准器调准“位移座标”的基准位置。然后小心地装上要求实验的喷管。 （注意：不要碰坏测压探针）打开调压阀 11。2、检查真空泵的油位，打开冷却水阀门，用手轮转动飞轮 1-2 圈，检查一切正常后，启动真空泵。3、全开罐后调节阀 11，用罐前调节阀 11调节背压 Pb 至一定值。摇动手轮 9 使测压孔位置 x 自喷管进口缓慢向出移动
8、。每隔 5mm停，记下真空表 8 上的读数（真空度） 。这样将测得对应于某一背压下的一条 Px/P1X 曲线。4、再用罐前调节阀 11逐次调节背压 Pb，为设定的背压值。在各个背压值下，重复上述摇动手轮 9 的操作过程，而得到一组在不同背压下的压力曲线 Px/P1X， （如图 4，图 6 所示） 。qm103xg/s5图 4 渐缩喷管压力曲线5、摇动手轮 9，使测压孔的位置 x 位于喷管出口外 30-40mm 处。此时 真空表 8 上的读数为背压Pb。6、全开罐后调节阀 11，用罐前调节阀 11调节背压 Pb，使它由全关状态逐渐慢开启。随背压 Pb降低（真空度升高） ，流量 qm 逐渐增大，当
9、背压降至某一定值（渐缩喷管为 Pc，缩放喷管为 Pf）时，流量达到最大值 qm,max，以后将不随 Pb 的降低而改变。7、用罐前调节阀 11重复上述过程，调节背压 Pb，每变化 50mmHg 一停，记下真空表 10 上的背压读数和 U 形管压力计 4 上的压差P （mmH 2O）读数（低真空时，流量变化大，可取 20mmHg；高真空时，流量变化小，可取 10mmHg 间隔）将读数换算成压力比 Pb/P1 和流量 在座标纸上绘出流mq量曲线（如图 5、图 7 所示） 。6图 6 缩放喷管压力曲线图 5 渐缩喷管流量曲线（当 ）20,1.0tMPpa7图 7 孔板流量计 曲线pm/8、在实验结束
10、阶段真空泵停机前，打开罐调节阀 11，关闭罐后调节阀 11，使罐内充报导。当关闭真空泵后，立即打开罐后调节阀 11，使真空泵充气。以防止真空泵回油。最后关闭冷却水阀门。五、数据记录与整理实验中应认真做好原始数据记录（包括：室温 ts，大气压 Pa 及实验日期）如发现实验结果出现较大误差，应仔细分析查找原因。在整理时，由于各种实验曲线都是以压力比（P x/P1，P b/P1）作座标，因此必须将压力换算为相同单位进行计算。建议所有数据如下两种形式的表格中。六、思考题（实验结果部分，结合图表回答）1、渐缩喷管出口截面压力（ ）低于临界压力；缩放喷管出口截面压力（ ）低于临界压力；(a)有可能 (b)
11、不可能2、当背压低于临界压力时 渐缩喷管内气体（ ）充分膨胀渐放喷管内气体（ ）充分膨胀(a)有可能 (b)不可能3、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（ ）充分膨胀8(a)一定 (b)不一定4、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（ ）临界压力缩放喷管出口截面压力（ ）背压渐缩喷管出口截面压力（ ）背压当背压高于临界压力时，渐缩喷管出口截面压力（ ）背压(a)高于 (b)低于 (c)等于 (d)等于或高于5、当 Pb/P10.528 时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（ ）流经缩放喷管的气体流速随背压降低而（ ）当 Pb/P10.528 时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（ ）
12、流经渐缩喷管的气体流速随背压降低而（ ）6、当 Pb/P1 等于多少时，流经渐缩喷管的流量最大？实测值和理论值有何差异？7、为什么 Pb/P10.528 时流经渐缩、缩放喷管的气体流量不随背压降低而增加？渐缩喷管流量测量原始记录及数据处理编号：No1m2 287RkgJ./ 5106.2AT背压 压差 进口压 力 压力比 膨胀系 数 实测流 量 理论流量 相对误 差Pbv Pb H P1 Pb/P1 mSqmL %MPa MPa mmH2O MPa g/s缩放喷管流量测量原始记录及数据处理编号：No2m2 1287RkgJ./ 5106.2AT背压 压差 进口压 力 压力比 膨胀系 数 实测流 量 理论流量 相对误 差Pbv Pb H P1 Pb/P1 mSqmL %MPa MPa mmH2O MPa g/s9
