喷管特性实验

1、实验一 喷管特性实验1、实验内容1.1 测定不同工况（初压P1不变，改变背压Pb）时气流在喷管中的流量qm,绘制qmPb曲线，比较最大流量qmmax的计算值和实测值，确定临界压力Pc。1.2 测定不同工况下气流沿喷管各截面（喷管轴线位置x ）压力 P 的变化，绘制出一组P x 曲线，分析比较临界压力Pc 的计算值和实验值，观察和记录临界压力出现在喷管中的位置。2、实验要求2.1 验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，牢固树立临界压力、临界流速和最 大流量等喷管临界参数的概念。2.2 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。2.3 重要概念1 的理解：应明确在渐缩喷管

2、中，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于声速，流量不可能大于最大流量。2.4 重要概念2 的理解：应明确在缩放喷管中，其出口处的压力可以低于临界压力，流速可高于声速，而流量不可能大于最大流量。3、实验仪器与设备本系统由实验台本体、真空泵、数据采集系统（电测仪器、传感器集线盒、采集与程控机箱）计算机等组成。 其中传感器集线盒、 采集与程控机箱、计算机并口由计算机打印共 享线连接。实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，见图 1。进气管（1）为6 57X3.5无缝钢管，内径6 50。（2）空气自吸气口进入进气管，流过孔板流量计。（3）孔

3、板孔径力7,采用角接环室取压。（4） U形管压差计，流量的大小可从U形管压差计读出。 （ 5 ）喷管用有机玻璃制成。配给渐缩喷管和缩放喷管各一只，见图 2、图 3。根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架（6 ） ，更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探针（7）（外径6 1.2）连至“可移动真空表”（8）测得，它们的移动通过手轮螺杆机构（9）实现。由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（力0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，也可从装在“可移动真 空表”下方的针在“喷管轴向坐标板” （在图中未画出）上所指的位置来确定。喷管的排气 管上还装有“背压真

4、空表”（10）,背压用调节阀（11）调节。真空罐（12）直径力400,体积0.118m3,起稳定背压的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。为 减小震动，真空罐与真空泵之间用软管（13 ）连接。X、气流在该截面上在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内不同截面的位置 的压力p、背压Pb、流量qm,这些量可分别用位移指针的位置、可移动真空表、背压真 空表以及U形管压差计的读数来显示。本实验台配套的仪器设备选型如下：真空泵：1401型 排气量3200升/分电测仪器包括负压传感器、压差传感器、位移传感器，它们分别将可移动式真空表、U型管压差计、测压探针在喷管内不同截面上的压力转换为电

5、讯号输入传感器集线盒，然后在图1喷管实验台1.进气管2.空气吸气口3.孔板流量计4.U形管压差计5.喷管6.三轮支架7.测压探压针8.可移动真空表9.手轮螺杆机构10.背压真空表11.背压用调节阀12.真空罐13.软管接头计算机上直接得出实验曲线。1.1 验准备学生应预先阅读并掌握以下实验原理:1.2 喷管中气流的基本规律1）由能量方程：,1 ,2q dh -dCf2及q dh dp可得dp CfdCf可见，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降。2）由连续性方程:A1 cf 1A2 cf 212A cf常数士dA ddCf有 Acf及过程方程p k 常数kd dp P根据dp cfdcf马赫

6、数M 上，而c kp一 c得:dAA(Ma2dcf1) 一cf(2)显然，当来流速度Ma 1时，喷管应为渐缩型（dA 0）；当来流速度 Ma 1时,喷管应为渐放型（dA0)。本实验所涉及的喷管结构分别如图图3所示。2、r：图3缩放喷管图2渐缩喷管1.3 气体流动的临界概念喷管气流的特征是dp 0, dcfd 0,三者之间互相制约。当某一截面的流速达到当地声速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（pc）。临界压力与喷管初压（p1）之比称为临界压力比，有:PcPl经推导可得:对于空气,0.528当渐缩喷管出口处气流速度达到声速,或缩放喷管喉部气流速度达到声速时,通过喷管的气体流量便达到了

7、最大值（qmmax）,或称为临界流量。可由下式确定:qmmax Amin2k2k 1 Pik(4)式中:Amin 最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流道截面积；对于缩放喷管即为喉部处的流道截面积。本实验台的两种最小流道截面积均为4.3气体在喷管中的流动1）渐缩喷管19.625 mm2。渐缩喷管因受几何条件（dA 0）的限制，由式（2）可知：气体流速只能等于或低于声速（cf c）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力p2 pc）;通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（qmmax）。根据不同的背压（Pb）,渐缩喷管可分为三种工况，如图4、图5所示:A 亚临界工况（PbPc),此时 qm<

8、qmmaxP2 PbPcB一临界工况（PbPc),此时 qm=qmmaxP2PbPcC超临界工况（PbPc ),此时 qm = qmmaxP2PcPb图中虚线表示理想气流， 实线表示实际气流。 由于气流有粘性摩擦， 在壁面附近形成边 界层。随着流程x的延长，边界层厚度加厚，减小了实际流通面积。所以，实际流量总是小 于理论流量。同时，边界层的存在还使管内气体压力的分布发生一些变化。图5渐缩喷管压力曲线-> |nui)|2）缩放喷管缩放喷管的喉部dA 0,因此气流可以达到声速（cf c）；扩大段（dA 0）,出口 截面的流速可超声速（cf c）,其压力可低于临界压力（ p2 pc）,但因喉部

9、几何尺寸的 限制，其流量的最大值仍为最大流量（ qmmajo imm ax /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）。缩放喷管随工作背压不同，亦可分为三种情况：A背压等于设计背压 （Pb Pd）时，称为设计工况。此时气流在喷管中能完全膨胀， 流量达到最大流量。 在喷管喉部，压力达到临界压力，速度达到声速。在扩大段转入超声速流动，出口截面的压力与背压相等（p2 pb pd）。B一背压低于设计背压（Pb Pd）时，气流在喷管内仍膨胀到设计压力。当气流一离 开出口截面便与周围介质汇合，其压力立即降至实际背压值，流量仍为最大流量。C一背压高于设计背压（Pb Pd）时，气流在

10、喷管内膨胀过度，其压力低于背压，以 至于气流在未达到出口截面处便被压缩，导致压力突然升跃 （即产生激波），在出口截面处，其压力达到背压。激波产生的位置随着背压的升高而向喷管入口方向移动，激波在未达到喉部之前，其喉部的压力仍保持临界压力，流量仍为最大流量。当背压升高到某一值时，将脱离临界状态，缩放管便与文丘里管的特性相同了，其流量低于最大流量。缩放喷管的流通特性如图 6、图7所示。I KS旭 I3 Q. 10 2 0.30.40.5.&0,T OS 0 910“俘1图6缩放喷管流量曲线1. 0口 T Jl 0.80.7 06 PIP1 0 s 0.4 。一 30.20.1Q 51015

11、七口 斐 加 35404550箕-（KHL）图7缩放喷管压力曲线5、实验步骤分别对渐缩喷管和缩放喷管进行如下相同步骤：1.1 装好喷管。1.2 对真空泵做开车前检查（检查传动系统、油路、水路）。检查无问题后打开背压调节阀， 用手转动真空泵飞轮几周，去掉气缸中过量的油，开启电动机，当达到正常转速后可 开始实验。1.3 测量轴向压力分布：1）把测压探针的引压孔移至进口截面之外，用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空 表读数），并记录下该值。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 下来，记录该点的坐标位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外。把各个点描绘到坐

12、标纸上，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（1）、（2）步骤即可。1.4 流量曲线的测绘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，关闭罐前调节阀，启动 真空泵。2）用罐前调节阀调节背压，每一次改变2030mmHg柱，稳定后记录背压值和U型管压差计的读数。当背压升高到某一值时，U型管压差计的液柱便不再变化（即流量已达到了最大值）。此后尽管不断提高背压，但U型管压差计的液柱仍保持不变，这时测 2 3 点。至此，流量测量即可完成。1.5 接通电测仪器，分别记录 qmpb 曲线和 p x 曲线。1.6 停车。实验结束后的设备操作

13、：打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气； 3 分钟后停真空泵并立即打开罐后调节阀， 让真空泵充气 （目的是防止回油） 。 最后关闭冷却水阀门。1.7 认真做好原始记录。1）设备数据记录：设备名称、型号、规格等。2） 常规数据记录：当地大气压力、室温、实验环境状况。3） 技术数据及绘制的图形等记入附表内。6、实验注意事项真空泵在停机前，先关闭真空罐出口的调节阀，让真空罐充气。关停真空泵后，立即打开此阀（真空泵上装有充气阀的还可打开充气阀） ，让真空泵充气。这样做，一 方面防止真空泵回抽，以免损坏用非耐油橡胶制成的减震软管。另方面有利于真空泵下次的启动。7、实验纪录及报告7.1 数据处理1

14、）压力值的确定（ 1）本实验装置采用的是负压系统，表上读数均为真空度，为此须换算成绝对压力 值（ p） ：p pa pv（5）式中：Pa 大气压力（mmbar）;pv 真空度。（ 2）由于喷管前装有孔板流量计，气流有压力损失。本实验装置的压力损失为U 型管压差计读数（ P ）的 97% 。因此，喷管入口压力为：P1Pa0.97 P6）（3）由式（5）、（6）可得到临界压力 pc0.528 p1 ,在真空表上的读数（即用真空度表不）为:pc(v)0.0472 Pa0.51 p计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，pc（v）约为380mmHg）。2）喷管实际流量测定由于管内气流的摩擦而形成边界层，从而减少了流通面积。 因此，实际流量必然小于理论值。其实际流量为：41qm 1.373 10 . p(kg/s)式中：一流速膨胀系数;1 2.873 10 2 1P Pa气态修正系数；O.538 ;一pa ta 273一几何修正系数（约等于1.0）；A pU型管压差计的读数（mmH2O）；ta一大气温度（C）；pa 大气压力（mbar）。7.2实验报告要求实验报告应包括实验内容、实验要求、实验仪器与设备简介、实验原理、实验步骤以 及实验结果处理等内容。实验原始数据应以表格形式汇总整理，必要时绘制实验结果曲线。 实验报告要求条理清晰， 要求统一用A4打