《工程热力学》实验指导书

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喷管特性实验

一、实验目的

1、验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，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、比较熟练地掌握用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法；

3、明确在渐缩喷管中，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。

二、实验装置

喷管实验台

1.进气管

2.空气吸气口

3.孔板流量计

4.U形管压差计

5.喷管

6.支架

7.测压探压针

8.可移动真空表

9.手轮螺杆机构 10.背压真空表 11.背压用调节阀12.真空罐13.软管接头

1

2

渐缩喷管

三、实验原理

1、喷管中气流的基本规律

c

dc

M A dA )1(2-= ， 来流速度 1

当某一截面的流速达到当地音速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（c p ）。临界压力与喷管初压（1p ）之比称为临界压力比，有：1

p p c

=

γ 当渐缩喷管出口处气流速度达到音速，通过喷管的气体流量便达到了最大值（max m ），或称为临界流量。可由下式确定：

1

1

1

2

min

max 1212νp k k k A m k •

⎪⎭

⎫

⎝⎛++=-

式中：min A —最小截面积（本实验台的最小截面积为：19.625 mm 2）。

3、气体在喷管中的流动

渐缩喷管因受几何条件)0(），此时m=2 B —临界工况（c b p p =），此时 m=max m , c b p p p ==2 C —超临界工况（c b p p <），此时 m max m >, b c p p p >=2

四、操作步骤

1、用“坐标校准器”调好“位移坐标板”的基准位置；

2、打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。而后启动真空泵；

3、测量轴向压力分布：用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记录；然后转动手轮，使测压探针向出口方向移动。每移动5mm 便停顿下来，记录该点的位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外；

4、流量的测量：把测压探针的引压孔移至出口截面之外，打开罐后调节阀，关闭罐前调节阀，启动真空泵，然后用罐前调节阀调节背压，每次改变50mmHg 柱，稳定后记录背压值和U 形管差压计的读数。当背压升高到某一值时，U 形管差压计的液柱便不再变化（即流量达到了最大值），此后尽管不断提高背压，但U 形管差压计的液柱仍保持不变；

5、打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3分钟后停真空泵并立即打开罐后调节阀，让真空泵充气（目的是防止回油），最后关闭冷却水阀门。

4

五、数据处理

1、压力值的确定

5

6

（1）真空度换算成绝对压力值（p ）：)(v a p p p -=

式中： a p —大气压力（mmbar ） ；

)(v p —用真空度表示的压力。

（2）由于喷管前装有U 形管压力计，气流有压力损失。本实验装置的压力损失为U 形管差压计读数（p ∆）的97% 。因此，喷管入口压力为：p p p a ∆-=97.01

（3）临界压力158.0p p c =，真空度为：p p p a v c ∆+=51.00472.0)( 计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，)(v c p 约为380mmHg 柱）。

2、喷管实际流量测定

由于管内气流的摩擦而形成边界层，从而减少了流通面积。因此，实际流量必然小于理论值。其实际流量为：

γβε⋅⋅⋅∆⨯=-p m 41073.1（kg/s ）

式中：ε—流速膨胀系数，a

p p ∆⨯-=-2

10

873.21ε β—气态修正系数，273

538

.0+=a a

t p β

γ—几何修正系数（约等于1）

；

7

Δp —U 型管差压计的读数（mmHg ） ；

a t —室温（℃）；

a p —大气压力（mmbar ） 。

六、实验报告要求

1、以测点位置（x ） 为横坐标，以

1

p p

为纵坐标，绘制不同工况下的压力分布曲线。 2、以压力比1

p p b

为横坐标，流量m 为纵坐标，绘制流量曲线。

实验三 空气在喷管中流动性能测定实验

一、实验目的：

1、验证和加深理解喷管中气体流动的基本理论。

2、观察气流在喷管中各截面的流速，流量，压力变化规律及掌握有关测试方法。

3、熟悉不同形式喷管的机理，加深对流动的临界状态基本概念的理解。

二、实验原理：

8

1、喷管中气体流动的基本规律

气体在喷管中作一元稳定等熵流动中，压力降低，流速增加。气流速度C ，密度ρ及压力P 的变化与截面A 的变化及马赫数Ma （速Ma

渐缩管

0

渐扩管

0>dx dA dx

dc dx

d ρ dx dp

dx

dc

dx

d ρ dx dp

<1 >0 <0 <1 <0 >0 >1

<0

>0

>1

>0

<0

（1）在亚音速（Ma<1）等熵流动中，气体在

0dx

dA

的管道（渐扩管）里，速度C 减小，而密度ρ，压力P 增大。

（2）在超音速（Ma>1）等熵流动中，气体在渐缩管中，速度C 减小，而压力P ，密度ρ增大，在渐扩管中，速度C 增加，压力P ，密度ρ降低。

（3）在Ma=1，即达到临界流动状态，此时，压力为临界压力，气流速度为音速。 2、喷管中流量的计算 （1）理论流量：

根据气体一元稳定等熵流动中，任何截面上质量流量都相等，且不随时间变化。流量大小由连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体方程，等熵过程方程，得到气体在喷管中流量的计算式：

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡-⋅-==+000

1

122121

1

002222)()(12γγγγγP P P P V P A V C

A q m （kg/s ）

式中：0γ—绝热指数