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211012f h c h +=对于比热为常数的理想气体，上式成为211012p 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：1111111()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1102()1cr p p p γγλ-==+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 ===112(1)2,102()()1m 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112(1)2,02()()1m 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100/(/)v v p p γ=最终导出122(1)121()11crA 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3.2.1 计算机进入测量“压力位移曲线”界面，按下电极行进开关按钮，使“位移指示指针”对准“位移坐标板”的零刻度。

图1-1 压力--位移曲线3.2.2 开启真空泵，调整罐前的调节阀，使喷管的背压为某个值。

按下数据采集开关，这时，压力位移曲线会随着电机的行进渐渐的在计算机屏幕中显示出来，同时，还会显示当前的位移与负压值。

当水平位移值达到50毫米时，电机会自动停止，并给出相应的提示。

3.2.3 若按下“保存数据”按钮，整条曲线数据将会保存起来。

3.2.4 若按下“暂存曲线”按钮，整条曲线会被暂存起来，这样做的目的是为了在同一坐标下显示多条曲线。

3.2.5 若按下“制作报告”按钮，当前的所有的实验参数和测量数据将会在EXCEL显示出来，同时还会把测量曲线给EXCEL，结果见图1-2。

图1-2 坐标点的生成3.2.6 若调整罐前的调节阀，改变喷管的背压值，重复以上步骤，便可得到一组位移压力曲线见图1-1。

4.压力流量曲线测试4.1手动测量部分4.1.1 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。

4.1.2 用罐前调节阀调背压，每变化20~30mmHg便停顿一下，同时将背压值和U型管压差计的读书记下来。

当背压升到某一值时，U型管压差计的液柱便不再变化（即流量已达到了最大值）。

此后尽管不断的提高背压，但U型管压差计的液柱仍保持不变，这时再测2~3点，至此，流量测量即可结束。

渐缩喷管和缩放喷管的流量曲线见图1-3。

图1-3 压力流量曲线4.2软件测量部分4.2.1 计算机进入测量“压力流量曲线”界面。

按下电机进行开关按钮，将“位移指示指针”移至“位移坐标板”大约40毫米刻度处。

4.2.2 逐渐关闭罐后的压力调节阀，按下数据采集开关，这时，压力流量曲线会随着压力调节阀渐渐的关闭在计算机屏幕中显示出来，同时，还会显示当前的压差值与流量值。

4.2.3 当罐后的压力调节阀彻底关闭时，屏幕上会显示一条完整的压力流量曲线。

结果参见图1-3。

打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3分钟后关闭真空泵，立即打开罐后调节阀，让真空泵充气（防止回油）；最后关闭冷却水阀门。

五、数据处理1． 压力值的确定① 本实验装置采用的是负压系统，表上读数均为真空度，为此必须换算成绝对压力值（p ）。

p=p a —p v （1—4）式中：p a —大气压（mmHg ）， p v —真空度（mmHg ）② 由与喷管前装有孔扳流量计，气流有压力损失，本实验装置的压力损失为U 型管压差计读数（△p ）的97%。

因此，喷管入口压力为：p 1=p a —0.97△p （1—5） ③ 由式（1—4）、（1—5）可得到临界压力p c =0.528p 1,在真空表上的读数(即用真空度表示)为：p v,c =0.472p a +0.51△p 式中各项计算时必须用相同的压力单位。

大致判断，p v,c 约为380mmHg 。

2． 喷管实际流量的确定由于喷管内气流的摩擦形成边界层从而减少了流通面积，因此实际流量必须小于理论值，其实际流量为：δβε⋅⋅⋅∆⨯=-p m 410373.1(kg/s)式中：ε—流束膨胀系数；β—气态修正系数,ap p ∆⨯-=-210155.21ε273621.0+=a at p βp a —大气压力，mmHg ；t a —大气温度，℃δ—几何修正系数，δ=1.017； △p —U 型管压差计读数，mmH 2O若p 0的单位用mbar ，ε、β公式应改为a p p ∆⨯-=-210873.21ε273538.0+=a a t p β将数据处理结果填入下面的表格表1-1 位移压力表表1-2 压力流量表六、实验报告1．以测压探针孔在喷管内的位置（x）为横坐标，以p/p1为纵坐标，绘制不同背压喷管内压力分布曲线。

2．以压力比p b/p1为横坐标，流量q为纵坐标，绘制流量曲线。

m3．根据条件计算喷管最大流量的理论值，并与实验值比较。