喷管特性实验指导书

《工程热力学》喷管特性实验

实

验

指

导

书

编制：朱天宇肖洪

河海大学机电工程学院2006年5月

喷管特性实验

一、 实验目的

1． 验证并进一步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． 掌握喷管实验装置的实验原理、实验方法和操作步骤，比较熟练地用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量。

3．测量并绘制喷管内的压力分布曲线及流量曲线，做出定性的解释。

二、 实验原理

喷管是一些热工设备的重要部件，这些设备的工作过程和喷管中气体的流动过程有密切

的关系。实验观察气流完全膨胀时沿喷管各界面的压力变化，测定流量曲线和临界压力比，可以帮助了解喷管中气体流动现象的基本特性，并且通过观察渐缩渐扩喷管中膨胀不足和膨胀过度的现象，还可进一步了解工作条件对喷管中流动过程的影响。

（一）收缩喷管出口的流速和流量

假设喷管进口的气流参数都用它们对应的滞止参数表示，喷管出口处的气流参数用下标1表示，则喷管中绝能流的能量方程为

2

11012f h c h +

=

对于比热为常数的理想气体，上式成为

2

11012

p f p c T c c T +

=

引用等熵过程关系式和状态方程（理想气体的γκ=），于是喷管出口的气流速度

1f c =

=

（1-1）

可见对于给定的气体，在收缩喷管出口气流未达到临界状态之前，进口的总焓越高，或者出口气流的压强对滞止压强比越小，则出口气流的速度越高。收缩喷管出口气流速度最高可达当地声速，即出口气流处于临界状态。通过喷管的质量流量为：

1

111111

()f f m A c A c p q v v p γ

=

=

将式（1-1）式代入上式得出

m q A = （1-2）

m q 是1p 的连续函数，而且当1p =0

和10p p =时，m q 都等于零。由此推论。在100p p <<的

范围内必有m q 的极限值。为了推求流量的最大值max m q ，取上式对1p 的导数，并令1/0m dq dp =，

即

1

102

(

)

1

cr p p p γ

γλ-==+

意即1p 等于临界压强cr p 时，收缩喷管的流量达到最大值max m q ，这时喷管出口气流达临界状态11M a =。收缩喷管出口气流的临界速度和临界流量分别为

1,f cr cr c c =

=

=

11

2(1)

2,10

2

(

)(

)1

m cr p q A v γγγγ+-=+

可见，对于给定的气体，收缩喷管出口的临界速度决定于进口气流的滞止参数，经过喷管的最大流量决定于进口气流的滞止参数和出口截面积。 （二）缩放喷管出口流速和流量及面积比公式

假设喷管进口的气流参数都用他们对应的滞止参数表示，喷管出口处的气流参数用下标1表示。由于这里讨论的仍然是喷管内气流的等熵过程，如果喷管内的气流又是在设计工况下得到完全膨胀的正常流动，则喷管出口的气流速度与通过喷管的质量流量仍可按渐缩管中的公式计算，但其中的截面面积必须代之以喉部截面积t cr A A =，即

1

1

2(1)

2,0

2

(

)

(

)1

m cr t p q A v γγγγ+-=+

因为通过喷管的流量就是喉部能通过的流量的最大值。

喷管的截面积随无量纲速度的变化规律可以由连续方程求得。根据连续方程以及等熵过

程关系式1

00/(/)v v p p γ=最终导出

1

22(1)

12

1()

1

1

cr

A M a A M a γγγγγ+--=

+

++ （1-3）

这就是缩放喷管的面积比公式。可见要得到某一马赫数的超声速气流，所需要的面积比是唯一的，而与这个面积比相对应的压强比也是唯一的。就是说，要利用缩放喷管得到某一马赫数的超声速气流，不仅要具备必要的几何条件，而且同时要具备必要的压强条件，缺一不可。

三、 实验装置

本实验装置由实验本体（含进气管段、喷管试验段、真空罐及支架等）、真空泵、测量仪表等组成，如图1-0所示。测试系统主要是常规热工测量仪表（真空表、U 型管压差计）及电子测试系统（传感器、放大器、计算机等），可以手动测量，也可以由计算机自动测量，本

实验以手动测量进行。

真空泵运转时，空气自实验本体的吸气口进入，一次通过进气管段、孔板流量计、喷管，最后排至室外。

1-入口段 2-U型管压差计 3-孔板流量计 4-喷管试验段 5-真空表6-支撑架 7-稳压罐 8、9-调节阀10-真空泵 11-探针自动移动机构 12-探针手动移动机构（手枪） 13-橡胶接管

图1-0 喷管试验设备结构图

喷管轴向截面上的压力是用直径为1.2mm的不锈钢管制的探针贯通喷管，其右端与真空表连通，左端为自由端（其端部开口用密封胶封死），在接近左端前端的侧面钻有一个0.5mm 的引压孔。显然，真空表上显示的数值就是引压孔所在截面的静压力。移动探针（实际是移动引压孔），从而达到测定喷管内各截面的压力之目的。

喷管的背压由固定在排气管段上的真空表测定，通过喷管的空气流量则由孔扳流量计及U型管压差计测定。

四、操作步骤

1. 装上所需的喷管（渐缩喷管或缩放喷管），用“坐标校准器”调好“位移坐标扳”的基准位置。

2. 打开罐前调节阀，将真空泵的飞轮盘车1~2转，一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀。然后启动真空泵。

3. 测量轴向压力分布。计算机显示的不同位置的压力分布见图1-1。

3.1手动测量部分

3.1.1 用罐前的调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记下该数值。

3.1.2转动手枪，使测压探针向出口方向移动。每移动一定距离（一般约2~3mm）便停一下，记下该测点的坐标位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之处。于是便得到一条在这一背压下喷管的压力分布曲线。

3.1.3 若要作若干条压力分布曲线，只要改变其背压值并重复步骤1~2即可。

3.2软件测量部分