热工学实验案例.doc

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Pb；（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==定值，[kg/s] （10-1） 式中：A—— 截面积[m2] C —— 气体流速[m/ s] —— 气体比容[m3/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，C1＜C2，工质为理想流体时，喷管的理论流量可按下式计算： （10-2） 式中： k —— 绝热指数，对于空气k=1.4 P1 —— 喷管进口压力（初压） [N/ m2] P2 —— 喷管出口压力 [N/ m2] 喷管中气体状态参数P、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P2有时等于，有时不等于喷管出口之外的环境压力 —— 背压Pb，为了了解其中关系，微分（10-1）式并作其他运算得： (10-3) 式中： —— 当地音速[m/ s] 显然，当来流速度M1 时，喷管为渐缩喷管（dA0）; 当来流速度M1时，喷管为缩放喷管(dA0）。喷管中气流的特征是dp＜0，dc0，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Pc/P1称为临界压力比，经计算： = （10-4） 对于空气Pc/P1=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dA＜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 Pb=Pc=P2 ② 超临界工况 Pc=P2 Pb （参看图10-4） ③ 亚临界工况 Pb=P2＞Pc 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mmax(临界流量)，可用下式表示： (10-5) 式中Amin指渐缩喷管的最小截面积，即出口截面积A2，对于本实验台渐缩喷管，其算得值为。 （2）缩放喷管 缩放喷管由于几何条件满足，喉部d