喷管中气体流动基本特性实验报告

喷管中气体流动基本特性实验报告

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。

气体在喷管的流动过程中，气体的状态参数P 、V ，流速C 和喷管截面积f 之间的基本关系可用下面三个方程表示：

c

dc f df v dv

f df c dc vdp cdc M )1(02

-==-+-= （4-1）

式中：M 为马赫数，是表示气体流动特性的一个重要特性值。M<1时，表明气体流速小于当

地音速，M>1时，气体流速大于当地音速，气体作超音速流动。

方程指出：气体流经喷管时，压力降低，流速增大，喷管的截面积亦随之变化，而喷管的截面变化情况则取决于Ｍ值．

1) 当气流流速小于音速（即Ｍ<1）时，欲使流速增大，喷管截面应该是收缩的； 2) 当气流流速大于音速（即Ｍ>1）时，喷管截面应该是扩放的；

3）当流速等于音速时，喷管截面最小，此处正是气流流速由亚音速过渡到超音速，喷管由收缩形过渡到扩放形的转折点。这点的参数称为喷管的临界参数，用脚码C 表示，如临界压力P C 、临界流速C C 等等。

1．渐缩喷管

气体流经喷管的膨胀程度可以用喷管的背压P 2与进口压力P 1之比β表示。P

P

1

2=

β称

为压力比。而气体在渐缩喷管中膨胀所能达到的最低压力，是使喷管出口的气流速度达到当地音速的压力，即临界压力P C 。所以，气流在渐缩喷管中流动时最大膨胀程度决定于临界压

力比β

C 。

P

P K P

P C

C

K K

C

C

1

)

1(1

)1

2(ββ===+- （4-2）

并且临界压力比只和气体的绝热指数K 有关。对于空气等双原子气体K=1.4，βC =0.528， P C =0.528 P 1。不同压力比的工况下，气流在喷管中流动时的膨胀情况如图1—1所示。图中绘出三组曲线。

图1—1 渐缩喷管中压力分布 图1--2渐缩喷管的流量曲线

1—P 2= P C ；2，3，4—P 2> P C 5—P 2< P C

1）曲线1：压力比等于临界压力比（β=βC ），即背压等于临界压力（P 2= P C ），气体在喷管中可以由入口压力P 1一直膨胀到出口背压P C ，即进行了最充分的完全膨胀。这时，喷管出口的气流流速达到当地音速的数值。

2）曲线2、3、4：压力比大于临界压力比（β>βC ），即背压大于临界压力（P 2> P C ），气体在喷管中也可以由P 1一直膨胀到P 2，但喷管出口的气流流速未达到当地音速的数值。

3）曲线5：压力比小于临界压力（β<βC ），即背压低于临界压力（P 2< P C ），气体在喷管中压力由P 1只能膨胀到P C ，喷管内压力变化情况仍如曲线1所示，它不受背压P 2降低的影响，而气流一离开喷管的出口截面就发生突然的膨胀，压力降至P 2，并因而使气流产生了一部分动能损失。此时，喷管的出口气流流速仍为当地音速。

通过渐缩喷管的气体质量流量m 与压力比β（P 2/ P 1）有关，计算公式为：

))1

2(1

2(1

2121

12

P P P P v P f

K

K k

K K

m +-⋅

-=

（4-3）

式中：K —绝热指数；

f 2－喷管的出口截面积[m 2

]；

v 1—喷管进口截面上气体的比容[m 3

/kg]

；

P 1，P 2—喷管进出口截面上气体压力和背压[P a ]；

上式适用于P 2≥ P C 的情况。当P 2=P C 时，上式可根据式（2）的关系整理成为：

)((

1

21

1

1

22

max

)1

2v

p k f

m

k k k

⋅+=

+- （4-4）

再将k=1.4代入此式，则可将进一步化简为：

或

T

p

f m

v p f m

1

1

2

max

1

1

2max

1

0404.0685.0== （4-5）

（5）式表示，喷管的最大质量流量值决定于喷管进口的气体状态，当背压自临界压力继续降低时，喷管的流量将保持最大值而不再变化。在进口气体状态不变时，渐缩喷管通过的质量流量与压力比的关系如图1—2所示。

2 渐缩渐扩喷管（拉伐尔喷管）

当压力比低于临界压力比（β<βC ）时，应采用渐缩渐扩喷管，以获得超音速气流。气体在渐缩渐扩喷管中流动时的膨胀情况可由图3—3所示的三组压力分布曲线表明。

曲线1：喷管在设计条件下工作，气流在喷管中由入口压力膨胀至背压，即气流得到完全膨胀。在最小截面上，压力为临界压力、气流达到临界流速。在渐扩段转入超音速流动。

曲线7：喷管在非设计条件下工作。此时，喷管的实际背压低于设计值，气流发生膨胀不足，在喷管内气流仍可如设计条件一样（如曲线1），由入口压力膨胀至设计背压值，当气流一离开出口截面就发生突然膨胀，压力降低到实际背压值。这部分管

外突然膨胀使气流损失了一部分动能 图1—3 渐缩渐扩喷管中的压力分布

曲线2、3、4：喷管在背压高于设计背压的 １－在设计条件下工作的压力分布图； 非设计条件下工作。此时气流膨胀过度，气流在 ２，3，4，5，6—膨胀过度时压力分布图喷管中膨胀到比外界（实际）背压低的压力，而 7—膨胀不足时喷管出口出现的突然膨胀。后由该截面至出口截面气流发生压缩过程，使出

口截面压力提高到外界背压而排出。喷管中开始发生压缩的（截面）位置随背压的提高而向最小截面方面移动。当背压提高到某一数值P 2c 时，喷管中开始出现压缩过程的位置发生在最小截面，如曲线4。

曲线5、6：如果再继续提高背压（P 2> P 2C ），喷管最小截面上的压力就不再保持临界压力，而随背压的升高而升高。这时气体在最小截面之前（即渐缩段）的膨胀情况也受背压改变的影响，各截面上的压力值均随背压的升高而升高。

渐缩渐扩喷管也有像渐缩喷管一样图形的流量曲线，当β≤βC 时，出现最大流量。此时最大流量值仍可用式（4）计算，只是将式中的f 改为f min 。即：