《工程热力学》实验指导书

喷管压力流量变化规律实验

一、实验目的

1、巩固和验证气流在喷管中流动的基本原理，熟悉不同形式喷管的机理。

2、了解气流在喷管中流速、压力、流量的变化规律及测试方法。

3、加深对临界状态基本概念的理解。

二、实验原理

1、喷管中气体流动的基本规律

在亚音速等熵流动中，气体在渐缩管里，速度增加，而压力、密度降低；在渐扩管里，速度减小而压力、密度增大。

在超音速等熵流动中，情况正好与亚音速流动的特点相反，气体在渐缩管中速度减小而压力、密度增大，在渐扩管中速度增加，压力、密度减小。

因此要想获得超音速气流，就必要使亚音速气流首先在渐缩管中加速，当气流被加速到音速，即达到临界状态时，就要改用渐扩管，以使气流继续加速到超音速。

2、喷管中流量的计算

根据气体一元稳定等熵流动的连续方程、能量方程、绝热气体状态方程、等熵过程方程，得到气流在喷管中流量m 的表达式为：

由式（1）可以看出：当P 2=P 0时，m=0；因此，只有在0＜P 2≤P c ，渐缩喷管的出口压力或缩放喷管的喉部压力达到临界压力时，喷管中的流量m 将存在最大值

m max ，计算如下：

很显然，满足式（2）的P 2即为临界值P c 。对应于该截面上的气流速度W 2将达到音速a 。

将k=1.4代入（2）式得：P 2=P c =0.528P 0 （3） 将式（2）代入（1）式得m max 的表达式为：

）（1/121

022020022

2

2s kg p p p p v p k k f v w f m k k k ⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-==

+）（，得令

21201

022-⎪⎭

⎫

⎝⎛+==k k

k p p dp dm

喷管中的实际流量

前面（1）（4）式给出理想流动的流量表达式，实际上，由于气流与管壁的摩擦所产生的边界层，减少了流动截面积。因此，实际流量是小于理论流量的。二者之比称为流量系数。本实验台是采用锥形入口孔板流量计来测量喷管的实际流量。根据孔板流量计上所测量的压差△P （在U 形管压差计上读出），求得流量m 与压差△P 的关系表达式：

）（510373.14εβγ⨯∆⨯=-P m 式中：

γ几何修正系数（标定值，本实验条件下可取为1）

△P 为U 形压差计读数（mmH 2O ），Pa 为大气压，ta 为大气温度。

在实际测试中，由于喷管前装有孔板流量计，将有压力损失。对于本实验台，损失等于压差计读数的97%。这样进口压力P 1为：

P 1=P a -0.97△P （6）

为了消除进口压力改变的影响，在绘制各种曲线时，采用压力比座标：压力曲线用P x /P 1——X ；流量曲线用m ——P b /P 1。

由于实验台采用的是真空表测压，因此临界压力Pc 在真空表上是读数Pc （真空度）为：

）（7

P c c a P P -=' 将（3）式代入（7）式得：

1c 528.0P P P a -='（一般P 1=P 0） （8） 最后将（6）代入（8）式得：

Pc=Pa-0.528（Pa-0.97△P ）=0.472Pa+0.51△P

三、实验装置

实验装置为ＰＺＹ－1喷管实验台，主要由真空泵和喷管实验台本体组成。由于真空泵的抽吸，空气由进气口进入吸气管中，经过孔板流量计进入喷管。流量的

a

P P

10873.2-12

-∆⨯=（流速膨胀系数）ε2730538.0+=a

t a P f

（气态修正系数）β）（4685.012120

2001

22

max v P f v P k k k f m k =⎪⎭

⎫

⎝⎛++=-

大小可由U形管压差计上读出。喷管用有机玻璃制成。有渐缩喷管和缩放喷管两种形式。可根据实验要求，松开夹法兰上的螺丝向左推开支架，更换所需要的喷管。喷管各截面上的压力，从可移动的真空表1上读出。可移动的真空表1与内径为0.8mm的测压探针相连。探针的顶端封死，在其中段开有径向测压小孔。通过摇动手轮螺杆机构，可使探针沿喷管轴线左右移动，从而改变测压孔的位置，进行喷管中不同截面上压力的测量。测压孔的位置，可以由位于可移动的真空表1下方的指针，在坐标板上所指出的X值来确定。喷管的排气管上还装有背压P b真空表2.背压由调节阀A调节。真空罐前的调节阀B用于急速调节。

真空罐是用于稳定背压P b的作用。为了减少振动，泵与罐之间用软管连接。

在实验中需测量4个变量：一是测压探针上测压孔的水平位置X。二是气流沿喷管轴线X截面上的压力。三是背压P b。四是流量m。这4个变量可分别用位移指针的位置X，可移动真空表1上的读数P x、背压真空表2上的读数P b及U形管压差计上的读数△P测得。

四、实验步骤

1、调整好移动探针的基准位置；小心地装上要求实验的喷管（注意：不要碰坏测压探针）。

2、用随机附带的软连接钢丝管将真空泵与稳压罐连接卡紧。接通自来水并控制进水量使水箱溢流口有小溢流；将真空泵接入三相电源。

3、检查一切正常后，启动真空泵。全开调节阀Ｂ，用调节阀Ａ调节背压Ｐb至某一定值。摇动手轮使测压孔位置Ｘ自喷管进口缓慢向出口移动，每隔5mm一停，一直到喷管出口以外30mm左右（观察指针指示位置）。记下真空表1上的读数（真空度）。这样将测得对应于这一背压下的一条P x/P1-X曲线。

4、再用调节阀Ａ逐次调节背压Ｐb为不同的背压值。在各个背压值下，重复上述摇动手轮的操作过程，而得到一组在不同背压下的压力曲线P x/P1-X。

5、摇动手轮，使测压孔的位置Ｘ位于喷管出口外30~40mm处。此时真空表1上的读数为背压Ｐb。

6、全开罐后调节阀Ｂ，用罐前调节阀Ａ调节背压Ｐb，使它由全关状态逐渐缓慢开启。随背压降低（真空度升高），流量m逐渐增大，当背压降至某一定值（渐缩喷管为Ｐc，缩放喷管为Ｐf）时，流量达到最大值，m max以后将不随Ｐb的降低而改变。

7、用罐前调节阀A重复上述过程，调节背压Ｐb，每变化0.03ＭＰa一停，记