热工学实验教案

实验十 渐缩(缩放)喷管内压力分布和流量测定一、实验目的1．验证并加深对喷管中的气流基本规律的理解，树立临界压力，临界流速，最大流量等喷管临界参数的概念，把理性认识和感性认识结合起来。

2．对喷管中气流的实际复杂过程有概略的了解。

3．通过渐缩喷管气流特性的观测，要明确：在渐缩喷管中压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量仍不能大于最大流量。

4．根据实验条件，计算喷管（最大）流量的理论值，并与实侧值进行对比。

二、实验设备本设备由2x 型真空泵，PG －Ⅲ型喷管（见图10-1）和计算机（控制与显示设备）构成。

由于真空泵的抽吸，空气自吸气口2进入进气管1，流过孔板流量计3，流量的大小可以从U 型管压差计4读出。

喷管5用有机玻璃制成，有渐缩、缩放两种型式（见图10-2、10-3），可根据实验要求，松开夹持法兰上的螺丝，向右推开进气管的三轮支架6，更换所需的喷管。

喷管各截面上的压力是由插在其中，外径0.2mm 的测压探针连至可移动真空表8测得，探针的顶封死，中段开有测压小孔，摇动手轮——螺杆机构9，即可移动探针，从而改变测压小孔在喷管中的位置，实现对喷管不同截面的压力测量。

在喷管的排气管上装有背压真空表10，排气管的下方为真空罐12，起稳定背压的作用，背压的高低用调节阀11调节。

罐前的调节阀用作急速调节，罐后的调节阀作缓慢调节，为减少震动，真空罐与真空泵之间用软管13连接。

在实验中必须观测四个变量：（1）测压孔所在截面至喷管进口的距离x ；（2）气流在该截面上压力P ；（3）背压P b ；（4）流量m 。

这些变量除可分别用位移指针的位置、移动真空表，背压真空表及 U 形管压差计的读数来显示读出外，还可分别用位移电位器、负压传感器、压差传感器把它们转换为电信号，由计算机显示并绘出实验曲线。

位移电位器将在螺杆之旁，它实际上是一只滑杆变阻器。

负压传感器和压差传感器分别装在真空表和U 形管压差计附近，其内部结构为一直流电桥，压力和压差改变时将改变电桥中两臂的电阻，从而获得电桥的不平衡电压输出。

为了使这些传感器可靠而稳定地工作，都由直流稳压电源供电。

三、实验原理1．喷管中气流的基本规律气流在喷管中稳定流动后，喷管任何截面上的质量流量m 均相等，有连续性方程：M=222111C A C A ACυυυ===定值，[kg/s] （10-1）式中：A —— 截面积[m 2]C —— 气体流速[m/ s] υ —— 气体比容[m 3/kg] 下标1—— 喷管进口下标2——喷管出口气体在喷管中作绝热膨胀，C 1＜C 2，工质为理想流体时，喷管的理论流量可按下式计算：])()[(12112212112222kk k p pp p p k k A C A m +-⋅-==υυ（10-2）式中： k —— 绝热指数，对于空气k=1.4P 1 —— 喷管进口压力（初压） [N/ m 2] P 2 —— 喷管出口压力 [N/ m 2]喷管中气体状态参数P 、υ和流动参数C 的变化规律和流通截面积A 的变化以及喷管前后的环境压力有密切关系，在某些条件下，气体在喷管中可能得到完全膨胀，在另一些条件下得不到完全膨胀，这样，喷管的出口截面压力P 2有时等于，有时不等于喷管出口之外的环境压力 —— 背压P b ，为了了解其中关系，微分（10-1）式并作其他运算得：dp kpc a c dcd A dA 222－ｃ－==υυ (10-3)式中：a —— 当地音速[m/ s]显然，当来流速度M<1 时，喷管为渐缩喷管（dA<0）; 当来流速度M>1时，喷管为缩放喷管(dA>0）。

喷管中气流的特征是dp ＜0，dc>0，dv ＞0，其间有相互制约关系。

当某一截面流速C 达到音速a （又称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力P ，临界压力与喷管初压之比P c /P 1称为临界压力比，经计算：1P P c =11)(k 2-+k k （10-4）对于空气P c /P 1=0.528 2.气体在喷管中的流动状况 （1）渐缩喷管渐缩喷管因受几何条件d A ＜0的限制，分析（10-3）式可知，流速不可能高于音速，这样根据背压的不同，渐缩喷管可分为三种不同工况。

① 临界工况 P b =P c =P 2② 超临界工况 P c =P 2 > P b （参看图10-4） ③ 亚临界工况 P b =P 2＞P c当渐缩喷管出口处气体速度达到音速时，或缩放喷管喉部气体速度达到音速时，通过喷管的气流流量便达到了最大值m max (临界流量)，可用下式表示：1112minmax )12(12νp k k k A m k-⋅+⋅+= (10-5) 式中A min 指渐缩喷管的最小截面积，即出口截面积A 2，对于本实验台渐缩喷管，其算得值为]mm [44.11)2.14(4A 222min ==－π。

（2）缩放喷管缩放喷管由于几何条件满足，喉部dA=0，流速可达到音速a, 即c=a ，扩大段dA ＞0，流速可超过音速，即c ＞a ，压力可低于临界压力，P ＜P c ，但其缩小段受到最大流量的限制，作为一个整体，缩放喷管同样受这个限制。

只要喉部达到临界状态，流量即可按（10-5）式计算，式中A min 为喉部截面积，对于本实验台缩放喷管喉部截面积其标称值也是11.44[mm 2]。

此外，在缩放喷管中，气流在扩大段能做完全膨胀，这时出口截面的出口压力成为设计压力（P d ）。

根据背压的不同，亦可分为三种情况：① 设计工况 P 2= P b = P d② 非设计工况 P b < P d ③ 非设计工况 P b ＞P d对于空气P d /P 1=0.138 四、实验内容及要求1．渐缩和缩放喷管各选二种工况，按实验步骤和表10-1、表10-2要求记录实验数据，通过计算，绘制压力分布曲线图。

（参考图10-4、图10-6）2．渐缩和缩放喷管各做一次流量与背压P b的关系测量，按表10-3、表10-4要求记录实验数据，通过计算绘制流量与背压的关系曲线。

（参考图10-5、图10-7）3．用计算机测控系统对上述1、2实验内容进行校验。

（操作过程请详见计算机测控系统操作说明）五、实验步骤1 .实验前的准备用“坐标标准化器”调好“位移坐标板”的基础位置，然后装好要求实验的喷管，（操作要小心，不要碰坏测压探针）打开背压调节阀。

检查真空泵的油位，打开冷却水，用手转动真空泵平衡轮1-2转，检查一切工作正常后，启动真空泵。

2. 测压力分布曲线全开罐后调节阀，根据渐缩喷管和缩放喷管三种不同的工况，用罐前调节阀调节背压至一定值，摇动手轮（缓慢移动）将测压孔位置从喷管进口处开始，每间隔5mm（要求高时，每间隔3 mm）一停，记下真空表8读数，换算成绝对压力，一直移到出口之外一段距离（大约10mm），整理数据，绘制压力分布曲线图。

3．测流量变化曲线全开罐后调节阀，把罐前调节阀全关闭，将测压孔移至喷管进口处( 根据实验要求)，此时真空表8所测压力为P1，真空表10所测压力为背压P b。

把处于全关闭状态的罐前调节阀（调节背压）逐渐缓慢开启，随着背压P b的降低（真空度升高），流量自0逐渐增大，背压每变化0.01真空度一停，记下真空表8、10读数和U形管差压计读数，当背压降至某一定值时流量达到最大流量m max保护不变，整理数据，绘制流量分布曲线图。

4．实验结束打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气，关停真空泵，立即打开罐后调节阀，让真空泵充气，以防止回油，最后关冷却水。

六、实验要求1．实验前，预习实验内容和有关知识并写预习报告。

2. 实验报告中，原始数据表格不可少，并要完整，清楚。

渐缩喷管压力分布测量实验原始数据记录表10-1大气压力Pa= 室温t a= ℃P1= M Pa (绝对压力)缩放喷管压力分布测量实验原始数据记录表10-2大气压力Pa= 室温t a= ℃P1= M Pa (绝对压力)大气压力Pa= 室温t a= ℃喉部截面积Amin =大气压力Pa= 室温t a= ℃喉部截面积Amin =图10-1 实验台总图图10-2 渐缩喷管图10-3 缩放喷管图10-4 渐缩喷管压力曲线图10-5 渐缩喷管流量曲线（当P1=1bar，t3=20℃）图10-6 缩放喷管压力曲线计算机测控系统操作说明一、系统的特点：1．功能较全，使用方便，采用了可视化界面，虚拟仪器的方法，数据采集过程全由计算机控制，达到数字显示绘图同步，调试过程简单、易掌握。

2．提供了offices的Excel接口。

测量的数据可以形成Excel文件格式的报告，多条曲线可以显示在同一坐标内，随时存贮、打印、调用、处理数据、幅面任意选取，极为方便。

3．连接简单，由于利用了计算机打印并口作为数据采集与控制通路，不再需要专用的数据采集卡，因而不必打开计算机机箱，同时也克服了计算机数据采集卡兼容性的问题。

二、测控系统的组成：本系统由喷管本体、传感器集线盒、采集与程控机箱、计算机四部分组成。

其中传感器集线盒、采集与程控机箱、计算机并口由计算机打印共享线（DB25M）连接。

系统组成框图10-8如下：图10-8 系统组成框图1．本体的构成：图10—9 喷管本体总图1－入口段2－U型管压差计3－孔板流量计4－喷管5－真空表6—支撑架7－稳压罐8—罐前调节阀9－罐后调节阀10－橡胶连接管11—坐标尺板12－探针取压移动构机13－真空泵14—冷却水阀2．传感器集线盒的组成：传感器集线盒由传感器集线盒面板和内部集线电路板构成（下图）。

传感器集线盒面板传感器内部集线电路板示意图（位移插座、负压插座、压差插座均为四芯航空插座）3．采集与程控机箱的组成如下：采集与程控机箱背板示意图采集与程控机箱面板示意图三、本系统所用到的公式：1．压力测量公式P=P a－P v P1=P a－P v0P a——标准大气压。

P v——负压传感器测量出的喷管探针处真空度。

P v0——喷管入口处的真空度。

P1——喷管入口处的绝对压力值。

X——位移传感器测出的位移。

2．流量测量公式:×10-2（kg/s）在常温、常压的环境下：m=4.38365×r×P其中：m ——孔板流量计的流量ΔP ——孔板流量计孔的压差（量纲为kPa）R ——孔板流量计修正系数（经计量确认），r=1四、操作步骤在第一次使用本设备时，需要安装喷管的本体以及相应的软件与硬件。

1. 软件的装入过程：打开计算机，插入配套磁盘（或配置的光盘），双击setup.exe文件，按提示完成相应的功能，软件安装完成，会出现“软件安装成功”的提示。

2. 硬件的安装或准备：安装喷管的本体时，需要检查U型压差计、孔板、喷管的密封情况，支撑架是否使系统处于水平。