工程热力学喷管特性实验

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实验题目：喷管特性实验

实验目的：验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，建立临界压力、临界流速

和最大流量等喷管临界参数的概念；比较熟练地掌握用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法；明确渐缩喷管出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量；明确缩放喷管中的压力可以低于临界压力，流速可高于当地音速，而流量不可能大于最大流量；对喷管中气流的实际复杂过程有所了解，能定性解释激波产生的原因。

实验原理：

1．喷管中气流的基本原理

由连续方程、能量方程和状态方程结合声速公式KPV a =得：

c dc M A dA ⎪

⎭⎫ ⎝

⎛-=12 马赫数M=c/a 显然，要使喷管中气流加速，当M<1时，喷管应为渐缩型（dA<0）；当气流M>1时，

喷管应为渐扩型（dA>0）。 2．气体流动的临界概念

喷管中气流的特征是dp<0，dc>0，dv>0，三者之间互相制约。当某一截面的速度达到当地音速时，气流处于从亚音速变为超音速的转折点，通常称为临界状态。

临界压力比112-⎪

⎭⎫ ⎝⎛+=K K

K ν

，对于空气，ν=0.528

当渐缩喷管出口处气流速度达到音速或缩放喷管喉部达到音速时，通过喷管的气体流量

便达到了最大值，或成临界流量。可由下式确定：

1112

1212m i n m a x V P

K K K K A m ⋅-⎪⎭⎫ ⎝⎛++= 式中：

min A —最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流通截面积；对于缩放喷管即为喉部的面

积。本实验台的两种喷管最小截面积均为11.44）。 3．气体在喷管中的流动 （1）渐缩喷管

渐缩喷管因受几何条件（dA<0）的限制。有式（4）可知：气体流速只能等于或低于音速（a C ≤）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（c P P ≥2）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（max m m

=）。 （2）缩放喷管

缩放喷管的喉部dA=0，因而气流可达到音速（c=a ）；扩大段dA>0，出口截面处的流速可超音速（c>a ），其压力可低于临界压力（P2

）。气流在扩大段能做完全膨胀，这时出口截面处的压力称为设计压力（Pd ）。

实验装置:

实验步骤：

一、装上所需的喷管，用“坐标校准器”调好“位移坐标板”的基准位置。 二、打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车旋1~2转，一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。然后启动真空泵。

图2 喷管实验装置系统

1. 实验段（喷管）；

2. 孔板；

3. 探针移动机构；

4. 孔板压差计

5. 调节阀；

6. 真空泵；

7. 风道入口； 8. 背压真空表； 9. 探针连通的真空表； 10. 稳压罐 11. 调节阀 12. 实验台支架

图1 探针测压简图

1. 管道； 5. 测量喷管各截面压力的压力表；

2. 喷管； 6. 测量喷管入口压力的压力表；

3. 探针； 7. 测量喷管排气管道中压力（背压）的压力表

4. 测压孔；

三、测量轴向压力分布

（1）用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记下该数值。（2）转动手轮，使测压探针向出口方向移动。每移动一定距离（一般约2～3mm）便停顿一下，记下该测点的坐标位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之处。于是便得到一条在这一背压下喷管的压力分布曲线。

（3）若要做若干条压力分布曲线，只要改变其背压值并重复步骤（1）～（2）即可。

四、流量曲线测试

（1）把测压探针的引压孔移至出口截面之外，打开罐后调节阀，并关闭罐前调节阀，启动真空泵。

（2）用罐前调节阀调背压，每变化20～30mmHg便停顿一下，同时将背压值和U型管压差计的读数记下来。当背压升到某一值时，U型管压差计的液柱便不再变化(即流量已达到了最大值)。此后尽管不断地降低背压，但U型管压差计的液柱仍保持不变，这时，再测2~3点。至此，流量测量即可结束。

五、打开罐前调节阀，关闭罐后的调节阀，让真空罐充气；2—3分钟后停闭真空泵，立即打开罐后调节阀，让真空泵充气(防止回油)；最后关闭冷却水阀门。实验处理：

数据记录)

(C。

一、渐缩喷管大气压0.1MPa

压力分布

测压位置

mm 背压

MPa 孔板流量计压

降∆H mm

3 6 9 12 15 18 21 2

4 h左h右

0.02 376.9 615.9 0.0015 0.0015 0.0020 0.0025 0.0040 0.0055 0.0070 0.0095 0.05 306.5 688.0 0.0025 0.0030 0.0040 0.0050 0.0070 0.0095 0.0135 0.0170 0.08 305.0 690.0 0.0030 0.0035 0.0045 0.0050 0.0075 0.0100 0.0130 0.0165

测压位置

mm 背压

MPa 孔板流量计压

降∆H mm

27 30 35 40 45 50 55 60 h左h右

0.02 376.9 615.9 0.0110 0.0140 0.0200 0.0175 0.0175 0.0175 0.0175 0.0175

0.05 306.5 688.0 0.0200 0.0275 0.0430 0.0430 0.0430 0.0430 0.0430 0.0430

0.08 305.0 690.0 0.0205 0.0365 0.0615 0.0625 0.0630 0.0630 0.0630 0.0630

流量曲线

背压

MPa

孔板流量计压降

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

H左mmH2O 4320 3770 3390 3150 3060 3050 3050 3050 3050