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1、喷管特性实验实验一 喷管特性实验1、实验内容测定不同工況（初压不变，改变背压p ）时 气流在喷管中的流量/1绘制亠p曲线，比较 ;的计算值和实测值严确定临界压m maxZJ O测定不同工况下气流沿喷管各截面（喷管轴 线位置）压力的变化，绘制出一组曲线， 分析比较临界压力的计算值和实验值，观察1.11.2最大流量qqm max和记录临界压力出现在喷管中的位置。2、实验要求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。辽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。重要概念1的理解：应明确在渐缩喷管中， 其出口处的压力不可
2、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。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2.12.32.4R：l=j|=1I三|=|I三U=i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）为巾57X35无缝钢管，内径巾50。（2）空气自吸气口进入进气管，
3、流过孔板 流量计。（3）孔板孔径巾7,采用角接环室取压。” （10）, 背压用调节阀（11）调节。真空罐（12）直径巾部有排污口;供必要时排除积水和污物之用。为接小震动真空罐与真空泵之间用软管（13）连（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）（外径巾12）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
4、孔（巾 05）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“背压真空表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、气流在该截面上的压力 、背电、流量，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：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 换为电讯号输入传感器集线盒，然后在计算机上 直接得出实验曲线。真空泵：1401型
5、排气量3200升/分图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4、实验准备4.1喷管中气流的基本规律1）由能量方程：” i ,6 q = dh + de 22 f6q = dh -vdp-v dp = e de(1) 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 - A2 - Cf 2A - Cf _ 常数VVV1 2有dAdv dc-fAvc及过程方程-k=常数有kdvdpvp根据-v dp c dc马赫数M =而c
6、=.丽得:dA dc-(Ma 2 -1)匚Acf显然，j当来流速度Ma 1时，喷管应为渐缩型(dA 1时，喷管应为渐放型(dA 0) 本实验所涉及的喷管结构分别如图2、图3 所示。O n彳卜：o LTi图 2 渐缩喷管 图3缩放喷管4.2气体流动的临界概念喷管气流的特征是dp 0，dV 0，三者f” I之比称为之间互相制约。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（P ）。临界压力与喷管初压 临界压力比，有：pY 二一P1k -1 对于空气,经推导可得：Y 二 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
7、流量便达到了最大值（ q ），或称为临界流量。 qm max可由下式确定：q = Am max minI 2k ( 2inl k + 1 I k + 1(4)式中:,=JAmin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 19.625 mm2。4.3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 ）的限制，由式 （2）可知:气体流速只能等于或低于声速（c c）； 出口截面的压力只能高于或等于临界压力 （p, p ）；通过喷管的流量只能等于或小于最大2c , 亠.亠流量（q ）。根据不同的背压（p），渐缩喷管
8、q化可分为三种工况，如图4、图5所示： A亚临界工况（p * ），此时q p2 b)，此时q= qmm maxB临界工况（p = p bcp = p = p2bP )，此时q = qcmm maxc超临界工况（pbp = p p2cb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。Kr.-s I图4渐缩喷管流量曲线耳/乩03Al.Vf1)50），出口截面的流速可 超声速（c c），其压力可低于临界压力（p p），
9、f2c但因喉部几何尺寸的限制，其流量的最大值仍为 最大流量（。）。q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（p ）。缩放喷管随工作 d背压不同，亦可分为三种情况：A背压等于设计背压（p p）时，称为设pb pdl=JI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，）时，气流在速度达到声速。在扩大段转入超声速流动，出口 截面的压力与背压相等（p p p ）。B背压低于设计背压（p p）时，气流在 b d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
10、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。l=j|=|i,r0.2KFin5101520253035404550x (mm)图了缩放喷管压力曲线00. 10. 20.30.40.5.&0. T圈6缩放喷管流量曲线0. 80. 91. 0PiPl0.10.80.7fIPi 60.50.0.1.00.95、实验步骤分别对渐缩喷管和缩放喷管进行如下相同步骤:5.15.25.3装好喷管。对真
11、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。测量轴向压力分布：空表读数），并记录下该值。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。I三i=i5.4流
12、量曲线的测绘2）用罐前调节阀调节背压，每一次改变201）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，启一30mmHg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23点。至此，流量测量即可完成。5.5 接通电测仪器，分别记录 q p 曲线和 px曲线。qm pbpx5.6 停车。实验结束后的设备操作：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
13、冷却水阀门。5.7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。空泵下次的启动。7、实验纪录及报告7.1数据处理1）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）：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p = p pav（ 5）式中：卩一大气压力（mmbar）；ap 一真空度。v（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
