工程热力学实验指导书

《工程热力学》实验指导书

喷管特性实验

一、实验目的

1、验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，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、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；

3、明确在渐缩喷管中，其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。

二、实验装置

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.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

渐缩喷管 三、实验原理

1、喷管中气流的基本规律

c

dc M A dA )1(2-= ， 来流速度 1

当某一截面的流速达到当地音速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（c p ）。临界压力与喷管初压（1p ）之比称为临界压力比，有：1

p p c =γ 当渐缩喷管出口处气流速度达到音速，通过喷管的气体流量便达到了最大值（ma x m ），或称为临界流量。可由下式确定：

11

12

min max 1212νp k k k A m k ???? ??++=-

式中：min A —最小截面积（本实验台的最小截面积为：19.625 mm 2）。

3、气体在喷管中的流动

渐缩喷管因受几何条件)0(

A —亚临界工况（c b p p >），此时m=2

B —临界工况（c b p p =），此时 m=max m , c b p p p ==2

C —超临界工况（c b p p <），此时 m max m >, b c p p p >=2

四、操作步骤

1、用“坐标校准器”调好“位移坐标板”的基准位置；

2、打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。而后启动真空泵；

3、测量轴向压力分布：用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记录；然后转动手轮，使测压探针向出口方向移动。每移动5mm 便停顿下来，记录该点的位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外；

4、流量的测量：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，然后用罐前调节阀调节背压，每次改变50mmHg 柱，稳定后记录背压值和U 形管差压计的读数。当背压升高到某一值时，U 形管差压计的液柱便不再变化（即流量达到了最大值），此后尽管不断提高背压，但U 形管差压计的液柱仍保持不变；

5、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。

五、数据处理

1、压力值的确定

（1）真空度换算成绝对压力值（p ）：)(v a p p p -=

式中： a p —大气压力（mmbar ） ；

)(v p —用真空度表示的压力。

（2）由于喷管前装有U 形管压力计，气流有压力损失。本实验装置的压力损失为U 形管差压计读数（p ?）的97% 。因此，喷管入口压力为：p p p a ?-=97.01

（3）临界压力158.0p p c =，真空度为：p p p a v c ?+=51.00472.0)(

计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，)(v c p 约为380mmHg 柱）。

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：γβε?????=-p m 41073.1（kg/s ）

式中：ε—流速膨胀系数，a

p p ??-=-210873.21ε β—气态修正系数，273

538

.0+=a a t p β γ—几何修正系数（约等于1）；

Δp —U 型管差压计的读数（mmHg ） ；

a t —室温（℃）

； a p —大气压力（mmbar ） 。

六、实验报告要求

1、以测点位置（x ） 为横坐标，以1

p p 为纵坐标，绘制不同工况下的压力分布曲线。 2、以压力比

1

p p b 为横坐标，流量m 为纵坐标，绘制流量曲线。

实验三 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ρ及压力P 的变化与截面A 的变化及马赫数Ma （速 dx d ρ dx d ρ （1）在亚音速（Ma<1）等熵流动中，气体在0dx

dA 的管道（渐扩管）里，速度C 减小，而密度ρ，压力P 增大。

（2）在超音速（Ma>1）等熵流动中，气体在渐缩管中，速度C 减小，而压力P ，密度ρ增大，在渐扩管中，速度C 增加，压力P ，密度ρ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：

???

?????-?-==+0001122121

1

002222)()(12γγγγγP P P P V P A V C A q m （kg/s ） 式中：0γ—绝热指数

C 2—出口速度m/s A 2—出口截面积m 2

V 2—出口比体积（m 3/kg ） P 2—出口压力（MPa ）

P 1—进口压力（MPa ） V 1—进口比体积（m 3/kg ）

若：P 1=P 2时 0=m q P 2=0时 0=m q ，即在0＜P 2≤P c 渐缩喷管的出口压力P 2或缩放喷管的喉部压力P th 降至临界压力时，喷管中的流量达最大值，计算式如下：

1112000min

max ,)12(12V P A q k m ?++=-γγγ 临界压力P c 为：11000)1

2(P P c ?+=+γγγ将0γ=1.4代入P c =0.528P 1 （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 （U 型管上读出）。质量流量q m 与压差△P 的关系式为：

γβε?????=-P q m 410373.1 （kg/s ）

式中：ε——流量膨账系数,a

P P ???-=-410373.11ε β——气态修正系数,15

.2730538

.0+=a a t P β γ——几何修正系数,（标定值） △P ——U 型管压差计读数（mm.H 2O ）

Pa ——大气压

t a ——室温℃

为了消除进口压力P 1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P x /P 1——X 和流量曲线

m q ——P b /P 1

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 1528.0P P P P P a c a c -=-='

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：

P P P a ?-=97.01

P ?以汞柱为单位时的孔板流量计压差

)(59

.132mmHg H P O H ?=? 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：

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（φ57×3.5的无缝钢管）中，经过孔板流量计3（φ7）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φ0.8的测压探针7相连。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P b 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φ400的真空罐12是用于稳定背压P b 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P b ；（4）流

q。这4个变量可分别用位移指针的位置x，真空表8上的读数P5。背压真空表10上的读数P b，及U形管压差计4上的读数△P 量

m

测得。特别需要注意的是P5和P6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P b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。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P x/P1—X曲线。

4、再用罐前调节阀11′逐次调节背压P b，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P x/P1—X，（如图4，图6所示）。

q m×103[xg/s]

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P b。

6、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11’调节背压P b，使它由全关状态逐渐慢开启。随背压P b降低（真空度升高），流量q m逐

渐增大，当背压降至某一定值（渐缩喷管为P c，缩放喷管为P f）时，流量达到最大值q m,max，以后将不随P b的降低而改变。

7、用罐前调节阀11’重复上述过程，调节背压P b，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（mmH2O）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q在座标纸上绘出流量曲线（如图5、图7所示）。

P b/P1和流量

m

图6 缩放喷管压力曲线

图5 渐缩喷管流量曲线（当20,1.011==t MP p a ℃）

图7 孔板流量计p m ?-εβγ曲线

8、在实验结束阶段真空泵停机前，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t s，大气压P a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 a

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)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

(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P b/P1>0.528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P b/P1<0.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（）

流经渐缩喷管的气体流速随背压降低而（ ）

6、当P b /P 1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P b /P 1<0.528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：No1 287=R k kg J ./ 510256.1-?=A m 2

=T

缩放喷管流量测量原始记录及数据处理

编号：No2

1=γ 1=β 287=R k kg J ./ 510256.12-?=A m 2 =T