喷管特性实验

喷管特性实验

一、实验目的

1.验证喷管中气流的基本规律，加深对临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的理解。

2.比较熟练地掌握压力、压差及流量的测量方法。

3.重要概念1的理解：应明确在渐缩喷管中，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。

4.重要概念2的理解：应明确在缩放喷管中，其出口处的压力可以低于临界压力，流速可高于音速，而流量不可能大于最大流量。

二、实验装置

整个实验装置包括实验台、真空泵（规格为1401型，排气量3200L/min）。实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针、真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，如图6-4所示。

图6-4 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； 6-三轮支架；7- 测压探针； 8-可移动真空表； 9-位移螺杆机构及位移传感器； 10-背压真空表；11-背压用调节阀；12-真空罐；13-软管接头；14-仪表箱；15-差压传感器；16-被压传感器；17-移动压力传感器

进气管为φ57×3.5无缝钢管，内径φ50。空气从吸气口入进气管，流过孔板流量计。孔板孔径φ7，采用角接环室取压。流量的大小可从U

形管压差计或微

压传感器读出。喷管用有机玻璃制成，配有渐缩喷管和缩放喷管各一只。根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架，更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探针（外径φ1.2）连至“可移动真空表”测得，由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（φ0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，它们的移动通过螺杆机构移动，标尺或位移传感器实现测量读数。喷管的排气管上还装有“背压真空表”，其压力大小用背压调节阀进行调节。真空罐直径φ400，起稳定压力的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。为减小震动，真空罐与真空泵之间用软管连接。 在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内的不同截面位置X、气流在该截面上的压力P、背压Pb、流量m，这些量可分别用位移指针的位置、可移动真

空表、背压真空表以及U形管压差计的读数来显示。

实验装置特点：

1.可方便地装上渐缩喷管或缩放喷管，观察气流沿喷管各截面的压力变化。

2.可在各种不同工况下（初压不变，改变背压），观察压力曲线的变化和流量的变化，从中着重观察临界压力和最大流量现象。

3.除供定性观察外，还可作初步的定量实验。压力测量采用精密真空表，精度0.4级。流量测量采用低雷诺数锥形孔板流量计，适用的流量范围宽，可从流量接近为零到喷管的最大流量，精度优于2级。

4.采用真空泵为动力，大气为气源。具有初压初温稳定，操作安全，功耗和噪声较小，试验气流不受压缩机械的污染等优点。喷管用有机玻璃制作，形象直观。

5.采用一台真空泵，可同时带两台实验台对配给的渐缩、缩放喷管做全工况观测。因装卸喷管方便，本实验台还可用作其他各种流道喷管和扩压管的实验。

三、实验原理

1、喷管中气流的基本规律

（1）由能量方程：

dq=dh+12dc2

及 dq=dh-νdp

可得 -νdp=cdc 可见，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降。

（2）由连续性方程： A1∙c1A2∙c2A∙c==⋅⋅⋅⋅⋅⋅==常数

有

及过程方程 ν1ν2νdAdνdc=-Aνcpνk=常数

kdν

有

根据 -νdp=cdc

cM=，而 a=kpν 马赫数a

得： ν=-dpp

dAdc=(M2-1)Ac

显然，当来流速度 M1 时，喷管应为渐扩型(dA>0)。

2、气体流动的临界概念

喷管气流的特征是dp0，dν>0，三者之间互相制约。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（pc）。临界压力与喷管初压（p1）之比称为临界压力比，有：

pcγ=p1

γ=

经推导可得：

对于空气，γ=0.528

当渐缩喷管出口处气流速度达到音速，或缩放喷管喉部气流速度达到音速时，通过喷管的气体流量便达到了最大值（mmax），或称为临界流量。可由下式确定：

∙∙⎛2⎫⎪⎝k+1⎭kk-1 mmax=Amin2k⎛2⎫ ⎪k+1⎝k+1⎭2k-1∙p1

ν1

式中：Amin—最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流道截面积，对于缩放喷管即为喉部处的流道截面积。本实验台二种喷管的最小截面积为：12.56 mm2）。

3、气体在喷管中的流动

（1）渐缩喷管

渐缩喷管因受几何条件(dA

的流量只能等于或小于最大流量（mmax）。根据不同的背压（pb）， 渐缩喷管可分为三种工况，如图6-6所示： 图6-5 渐缩喷管

∙

图6-6 渐缩喷管压力分布曲线及流量曲线

∙p>pbcA—亚临界工况（），此时m mmax p2=pb>pc

∙p=pbcB—临界工况（），此时 m=m p2=pb=pc max

∙ppb

（2）缩放喷管

缩放管的喉部dA=0，因此气流可以达到音速（C=a）；扩大段（dA>0），出口截面的流速可超音速(C>a),其压力可小于临界压力（p2

气流在扩大段能做完全膨胀，这时出口截面出的压力成为设计压

力（pd）。缩放喷管随工作背压不同，亦可分为三种情况：A—被压

等于设计背压（pb=pd）时，称为设计工况。此时气流在喷管中能

完全膨胀，出口截面的压力与背压相等（p2=pb=pd），见图6-8

中的曲线A。在喷管喉部，压力达到临界压力，速度达到音速。在扩

大段转入超音速流动，流量达到最大流量。

图

6-7 缩放喷管 ∙

B—背压低于设计背压（pb

那样膨胀到设

计压力。当气流一离开出口截面便与周围介质汇合，其压力立即降至实际背压值，如图6-8曲线B所示，流量仍为最大流量。

C—背压高于设计背压（pb pd）时，气流在喷管内膨胀过度，其压力低于背压，以至于气流在未达到出口截面处便被压缩，导致压力突然升跃（即产生激波），在出口截面处，其压力达到背压。如图6-8中的曲线C所示。激波产生的位置随着背压的升高而向喷管入口方向移动，激波在未达到喉部之前，其喉部的压力仍保持临界压力，流量仍为最大流量。当背压升高到某一值时，将脱离临界状态，缩放管便与文丘里管的特性相同了，其流量低于最大流量。

图6-8 渐缩喷管压力分布曲线及流量曲线

四、操作步骤

1.装上所需的喷管，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，打开真空泵冷却水阀门,然后启动真空泵。

3.测量轴向压力分布：

（1）用罐前调节阀（背压用调节阀）调节背压至一定值（见真空表读数），并记录下该值。

（2）转动手轮，使测压探针向出口方向移动。每移动一定距离（一般约2-3mm）便停顿下来，记录该点的坐标位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外。把各个点描绘到坐标纸上，便得到一条在这一背压下喷管的压力分布曲线。

（3）若要做若干条压力分布曲线，只要改变其背压值并重复（1）、（2）步骤即可。

4.流量曲线的测绘

（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。

（2）用罐前调节阀调节背压，每一次改变（100～200）mm水柱，稳定后记录背压值和U型管差压计的读数。当背压升高到某一值时，U型管差压计的液柱便

不再变化（即流量已达到了最大值 ）。此后尽管不断提高背压，但U型管差压计的液柱仍保持不变，这时测2至3个点。至此，流量测量即可完成。渐缩喷管和缩放喷管的流量曲线参见图6-6和图6-8 。

5.实验结束后的设备操作

（1）打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气。

（2）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）。

（3）关闭真空泵冷却水阀门。

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，为此须换算成绝对压力值（p）：

p=pa-p(v)

式中： pa—大气压力（bar） ；

p(v)—用真空度表示的压力。

（2）由于喷管前装有孔板流量计，气流有压力损失。本实验装置的压力损失为U型管差压计读数（∆p）的97% 。因此，喷管入口压力为：

p1=pa-0.97∆p

（3）可得到临界压力pc=0.58p1，在真空表上的读数（即用真空度表示）为：

pc(v)=0.0472pa+0.51∆p

计算时，式中各项必须用相同的压力单位（大致判断，pc(v)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：

m=1.373⨯10-4∆p∙ε∙β∙γ （kg/s）

式中： ε—流速膨胀系数；

ε=1-2.873⨯10-2

β—气态修正系数； ∆ppa

pa β=o.ta+273

γ—几何修正系数（约等于1.0）；

∆p—U型管差压计的读数（mmH2O） ；

ta—室温（℃）；

pa—大气压力（mbar） 。

六、思考题

1.分别说明喷管中临界压力、临界流速和最大流量的含义是什么？

2.说明渐缩喷管和缩放喷管的压力分布曲线图的区别，为什么？

3.简述在本实验过程中真空泵的正确启、停操作程序。