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喷管实验讲义

中国地质大学-热能教研室喷管实验

一、实验目的及要求
1、验证并进一步加深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、比较熟练地掌握用常规、计算机数据采集仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法。
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。
5、应对喷管中气流的实际复杂过程有所了解，能定性解释激波产生的原因。
二、实验装置
整个实验装置包括实验台、真空泵。
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，见图1。

图1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. 测压探压针 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（1）为ф57×3.5无缝钢管，内径φ50。.空气吸气口（2）进入进气管，流过孔板流量计（3）。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（4）或微压传感器读出。（5）喷管 用有机玻璃制成。配给渐缩喷管和缩放喷管各一只，见图2、3。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（6），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压针（7）（外径φ1.2）连至“可移动真空表”（8）测得，它们的移动通过螺杆机构移动，标尺或位移传感器（9）实现。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，也可从装在“可移动真空表”下方的针在“喷管轴向坐标板”（在图中未画出）上所指的位置来确定。喷管的排气管上还装有“背压真空表”背压用调节阀（11）调节。真空罐（12）直径φ400，体积0.118m3。起稳定压的作用。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（13）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。
本实验台配套的仪器设备选型如下：
真空泵： 1401型 排气量3200升/分
用途和特点
本实验台主要用于《工程热力学》教学中“喷管临界状态的观察”实验。
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：

及
可得 (1)
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：
常数
有
及过程方程 常数
有
根据
马赫数 ，而
得： (2)
显然，当来流速度 时，喷管应为渐缩型；当来流速度 时，喷管应为渐扩型。
2、气流动的临界概念
喷管气流的特征是，，，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（）。临界压力与喷管初压（）之比称为临界压力比，有：

经推导可得： (3)
对于空气，
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（），或称为临界流量。可由下式确定：
(4)
式中：
—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。本实验台的二种最小截面积为：12.56 mm2）。
3、气体在喷管中的流动 图二 渐缩喷管
（1）渐缩喷管
渐缩喷管因受几何条件的限制，由式（2）可知：气体流速只能等于或低于音速（）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（）。根 据不同的背压（）， 渐缩喷管可分为三种工况，如图三所示：

图3 渐缩喷管压力分布曲线及流量曲线
A—亚临界工况（），此时m<

B—临界工况（），此时 m=

C—超临界工况（），此时 m=

（2）缩放喷管
缩放管的喉部，因此气流可以达到音速（）；扩大段（），出口截面的流速可超音速(),其压力可小于临界压力（），但因喉部几何尺寸的限制， 图四 缩放喷管其流量的最大值仍为最大流量（）。
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（）。缩放喷管随工作背压不同，亦可分为三种情况：A—背压等于设计背压（）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（），见图五中的曲线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。

图五 缩放喷管压力分布曲线及流量曲线
B—被压低于设计背压（）时，气流在喷管内仍按曲线A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，如图五曲线B所示，流量仍为最大流量。
C—被压高于设计被压（）时，气流在喷管内膨胀过渡，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。如图五中的曲线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。
四、操作步骤（计算机接口及操作见软件使用说明）
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，打开冷却水阀门。而后启动真空泵。
3、测量轴向压力分布：
（1）、用罐前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20—30mmHg柱，稳定后记录背压值和U型管差压计的读数。当背压升高（真空度升高，绝对压力下降）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—3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2和图3 。
5、实验结束后的设备操作
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。
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）：
（5）
式中： —大气压力（mmbar） ；
—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（）的97% 。因此，喷管入口压力为：
（6）
（3）、由式（5）、（6）可得到临界压力，在真空表上的读数（即用真空度表示）为：
（7）
计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，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：
（kg/s）
式中：
—流速膨胀系数；

—气态修正系数；

—几何修正系数（约等于1.0）；
Δp—U型管差压计的读数（mmH2O） ；
—室温（℃）；
—大气压力（mbar） 。