【VIP专享】实验二 喷管中气体流动特性实验

实验二 喷管中气体流动特性实验一.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）、流速和喷管υ截面积A 的基本关系为： （2—1）0d dA dv A v

υυ+-=渐缩喷管气体流经渐缩型管道时，气流速度不断增大，压力P 和温度T 却不断减小。见图一，

υ气体流经喷管的膨胀程度一般用喷管的出口压力P 2和进口压力P 1的比值表示，气体在β渐缩喷管内绝热流动的最大膨胀程度决定于临界压力比c ，即：

β （2—2）1121K K c c P P K β-⎛⎫== ⎪+⎝⎭式中：临界压力比c 只和气体的绝热指数K 有关，对于空气K=1.4，从而得到

βc =0.528；P c 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。

β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P 1膨胀到P 2=P c ，这是最充分的完全膨胀。对应于临界压力P c ，

到临界压力P c。如图二中线段5所示。

当背压P b大于临界压力P c时，气体在渐缩喷管中由P1膨胀到P2，气体难以充分膨胀，

α

此时P2=P b，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

A min的比值。

压力提高并等于背压P b，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P b的增大而沿着喷管轴线向最小截面移动，当背压P b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P b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P b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P b。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。

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P b，P b 的大小由阀门9控制，背压P b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

P b，即P2=P c=P b。

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P a 值。记录喷管各测量截面位置对应压力示值P a 。2.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P b 高于临界压力P c ，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P c 的背压P b 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P 2也不再是临界压力P c 。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P b 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P b 低于临界压力P c ，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P c ，出口气流速度等于当地音速。α验证气流在超临界流动状态下，背压P b 在低于临界压力P c 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P c （Pa ）、温度t 0。2、记录喷管各截面上的表压力P a 数据，并计算出绝对压力，压力比P x /P 0，气流速度

、温度T x 、音速和马赫数据M x ，数据句路表格参见附表。

x υx α3、计算临界压力比并与理论值比较。0c P P 4、用坐标纸绘制出和M x =f （x ）曲线。0()x P f x P =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：P b= P a=