实验二 喷管中气体流动特性实验.实验目的喷管是热工设备常用的重要部件，这些设备工作性能的好坏与喷管中气体流动过程有着 密切关系通过观察气流流经收缩型管道压力的变化，测定临界压力比并计算在亚、超临界 工作状态下，各截面的压力比和马赫数等，进一步了解喷管中气流在亚临界、超临界工作状 态下的流动特性观察在缩扩型喷管中气体流动现象，了解缩扩型喷管前后压力比等于、大于和小于设计 压力比条件下，扩张段内气体参数的变化情况二.实验原理由工程热力学一元稳定流动连续方程可知，气流的状态参数v （比容）、流速U和喷管截面积A的基本关系为：du * dA dv _ 0 （2 1）u A v渐缩喷管气体流经渐缩型管道时，气流速度U不断增大，压力P和温度T却不断减小见图一，气体流经喷管的膨胀程度一般用喷管的出口压力P2和进口压力P1的比值P表示，气体在渐缩喷管内绝热流动的最大膨胀程度决定于临界压力比P c，即:、KK-1（2—2）式中：临界压力比P c只和气体的绝热指数K有关，对于空气K=1.4,从而得到P c=0.528；Pc为气体在渐缩喷管中膨胀所能达到的最低压力，或称临界压力图一气体经渐缩喷管时压力温度变化曲线气体在渐缩喷管中由P1膨胀到P2=Pc，这是最充分的完全膨胀。
对应于临界压力Pc，气 流流速达到当地的音速a （称其为临界速度）见图二中曲线1 °图二渐缩喷管中的压力分布当背压Pb低于临界压力Pc时，气体在渐缩喷管中不能继续膨胀到背压Pb;而只能膨胀 到临界压力Pc如图二中线段5所示当背压P-大于临界压力Pc时，气体在渐缩喷管中由P1膨胀到P2,气体难以充分膨胀， 此时P2=Pb，气流流速小于当地的音速见图二中曲线2、3、4缩扩型喷管或称拉伐尔喷管气体流经缩扩喷管时完全膨胀的程度决定于喷管的出口截面A2和喷管中最小截面积Amin的比值喷管在设计条件下工作时，气流完全膨胀出口截面的压力P2=Pb，在最小截面积Amin上， 气流达到临界速度，压力为临界压力，在进入喷管渐扩段后，气流继续膨胀，转入超音速流 动，压力不断减小见图三中的曲线1I I0 三图二 渐扩喷管中的压力分布气流在缩扩型喷管中流动时，如果背压Pb高于出口截面压力P2,此时气流膨胀过度， 难以流出喷管渐扩段，在背压Pb作用下，气流在喷管出口处将产生激波气流通过激波，使 压力提高并等于背压Pb，流出喷管见图三曲线2, 3缩扩型喷管中气流产生激波的位置 随着Pb的增大而沿着喷管轴线向最小截面移动，当背压Pb继续提高时，缩扩型喷管最小截 面上的压力也将不再保持临界压力，随背压Pb升高而升高，这时气流在喷管渐缩段的膨胀 过程也将受背压改变的影响。
见图三曲线2、3、4气流在缩扩型喷管中流动，当背压Pb低于出口压力P2时，气流只能膨胀到出口压力P2 值，一经离开出口截面，就发生突然膨胀，压力降低到实际的背压值Pb见图三中的曲线7三、实验设备喷管实验装置由喷管实验段、压力测量系统和气源设备等三部分，见图四图四喷管实验装置1、7真空表2位移标尺3压力探针4静压孔5喷管6稳压箱8真空泵9阀门10真空罐喷管实验段由喷管5 （渐缩型喷管和缩扩型喷管两种若干备用）和稳压箱6喷管出口 和稳压箱紧密相连喷管进口气流来自大气，稳压箱用来给喷管提供稳定的背压Pb，Pb的 大小由阀门9控制，背压Pb的数值由稳压箱上的真空表7测出压力测量系统由装在沿轴向可移动距离的标尺上的探针3和真空表1组成探针上开 有静压孔4,移动探针来感受喷管各个截面上的压力压力大小由真空表1测出气源设备由真空罐10、真空泵8、阀们9和连接管路组成真空泵将真空罐内的空气 抽出，形成低压环境注：喷管实验的自动化测试系统，通常用位移传感器和压力传感器把 压力探针的位移信号和压力信号转换成点信号，由函数记录仪自动描绘出静压沿喷管轴向变 化曲线四、实验步骤渐缩型喷管1. 观察渐缩型喷管临界流动状态特性，并记录有关数据。
缓慢移动压力探针，使其上的静压孔处于渐缩型喷管进、出口截面间任一点位置，调节阀们 9的开度，使真空表1和7的示值均由零逐渐增大，观察真空表1的示值变化情况当观察 到真空表1的指针停止移动时，立即停止旋转阀门9，并记录真空表7的示值（mmHg），此 时渐缩型喷管出口气流速度刚好达到当地音速，出口压力P2等于背压Pb，即P2=Pc=Pb保持渐缩型喷管临界状态不变，沿喷管轴心线前后移动压力探针，使静压孔从喷管进 口截面大出口截面之间每隔3—4mm测量一次压力七值记录喷管各测量截面位置对应压 力示值七 32, 观察渐缩型喷管亚临界流动状态的特性移动压力探针，使感压孔处于喷管轴心线上任意位置，反向旋转阀门9减少开度，使 Pb高于临界压力Pc，此时整个喷管中的流动为压临界状态在这种状态下，高于临界压力 Pc的背压Pb将严重影响喷管中的流动，出口气流速度不再是音速，出口截面的压力P2也不 再是临界压力Pc保持渐缩型喷管压临界状态不变，重复步骤1，记录喷管截面各测量位置对应的压力示 值Pa验证背压Pb的改变如何影响整个喷管内的流动3. 观察渐缩型喷管超临界流动状态的特性移动压力探针，使惊静压孔处于喷管轴心线上任意位置。
加大阀门9的开度，使Pb低于临 界压力Pc，此时喷管中的流动为超临界状态，出口截面上的压力为临界压力Pc，出口气流 速度等于当地音速a °验证气流在超临界流动状态下，背压Pb在低于临界压力Pc范围内变化时并不影响喷管 内的流动4, 观察缩扩型喷管在各种工况下的流动特性5. 参观函数记录仪绘制的渐缩型喷管三种工况下气流沿喷管各截面的静压变化曲线五、数据整理1、 记录实验场地大气压力Pc（Pa）、温度t02、 记录喷管各截面上的表压力Pa数据，并计算出绝对压力，压力比Px/P0,气流速度u*、温度Tx、音速a *和马赫数据Mx，数据句路表格参见附表3、 计算临界压力比P并与理论值比较0P …4、 用坐标纸绘制出p = f （*）和Mx=f（x）曲线0思考题1、 实验测定结果和理论值有何不同？试分析产生误差的原因？2、 实验前你如何选定喷管的进、出口压力，才能观察到渐缩型喷管的三种流动状态？3、 你能否用物理概念来解释流体在渐缩型喷管中三种工况的意义？附录工作状态： 七= Pa=。