喷管特性实验.doc

实验３　喷管特性实验
一、 实验目的
（1）巩固和验证有关气体在喷管内流动的基本理论，掌握气流在喷管中流速、流量、压力的变化规律。
（2）测定不同工况下，气流在喷管内流量的变化，绘制流量曲线。
（3）测定不同工况时，气流沿喷管各截面（轴相位置X）的压力变化情况，绘制关系曲线。
二、实验装置
图1 喷管实验装置系统
1. 实验段（喷管）； 2. 孔板； 3. 探针移动机构；
4. 孔板压差计 5. 调节阀； 6. 真空泵；
7. 风道入口； 8. 背压真空表； 9. 探针连通的真空表；
10. 稳压罐 11. 调节阀 12. 实验台支架

三、实验原理
1．喷管中气流的基本原理
由连续方程、能量方程和状态方程结合声速公式得：
马赫数M=c/a
显然，要使喷管中气流加速，当M<1时，喷管应为渐缩型（dA<0）；当气流M>1时，喷管应为渐扩型（dA>0）。
2．气体流动的临界概念
喷管中气流的特征是dp<0，dc>0，dv>0，三者之间互相制约。当某一截面的速度达到当地音速时，气流处于从亚音速变为超音速的转折点，通常称为临界状态。
临界压力比 ，对于空气，n=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达到音速时，通过喷管的气体流量便达到了最大值，或成临界流量。可由下式确定：
式中：
—最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流通截面积；对于缩放喷管即为喉部的面积。本实验台的两种喷管最小截面积均为11.44）。
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<0）的限制。有公式可知：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（）。
（2）缩放喷管
缩放喷管的喉部dA=0，因而气流可达到音速（c=a）；扩大段dA>0，出口截面处的流速可超音速（c>a），其压力可低于临界压力（P2<Pc），但因喉部几何尺寸的限制，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，这时出口截面处的压力称为设计压力（Pd）。
四、实验内容及步骤：
1、调整好移动探针的基准位置；小心地装上要求实验的喷管（注意：不要碰坏测压探针）。
2、用随机附带的软连接钢丝管将真空泵与稳压罐连接卡紧。接通自来水并控制进水量使水箱溢流口有小溢流；将真空泵接入三相电源。
3、如果使用的是配有微机接口的实验台，就要将传感器与控制箱连接，控制箱与微机机箱串口相连，然后在微机上运行软件，出现软件界面后，按软件说明书要求操作，开始实验，软件将根据实验工况自行绘制压力曲线和流量曲线，并进行保存
4、检查一切正常后，启动真空泵。全开调节阀5，用调节阀11调节背压至某一定值。摇动手轮使测压孔位置自喷管进口缓慢向出口移动，每隔5mm一停，一直到喷管出口以外左右（观察指针指示位置）。记下真空表9上的读数（真空度）。这样将测得对应于这一背压下的一条曲线。
5、再用调节阀11逐次调节背压为不同的背压值。在各个背压值下，重复上述摇动手轮的操作过程，而得到一组在不同背压下的压力曲线（参见附图压力曲线）。
6、摇动手轮，使测压孔的位置位于喷管出口外处。此时真空表9上的读数为背压。
7、全开罐后调节阀5，用罐前调节阀11调节背压，使它由全关状态逐渐缓慢开启。随背压的降低（真空度升高），流量逐渐增大，当背压降至某一定值时，流量达到最大值 ，以后将不随的 降低而改变。
8、用罐前调节阀11重复上述过程，调节背压，每变化一停，记下真空表8上的背压读数和形管压力计上的压差读数，在座标纸上绘出流量曲线，进行分析。
9、在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐前调节阀11和罐底排气阀，关闭罐后调节阀5，使罐内充气。当关闭真空泵后，关闭冷却水阀门，放净水箱和真空泵中存水。

五、数据记录与处理
（一）渐缩喷管 P1=0.1MPa 绝对压力=0.1MPa—真空度
压力分布
测压位置X/ mm
X处的压力
背压 Px/MPa
Pb/MPa

3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
40
45
50
55
60
0.0200
（真空度）
真空度

绝对压力

0.0800
（真空度）
真空度

绝对压力

流量曲线
背压Pb/MPa
（真空度）
孔板流量计压降
0.0050
0.0100
0.0150
0.0200
0.0250
0.0300
0.0350
0.0400
0.0450
0.0500
0.0550
H右/ mmH2O

H左/ mmH2O

△H/ mmH2O

（二）缩放喷管 P1=0.1MPa 绝对压力=0.1MPa—真空度
压力分布
测压位置X/ mm
X处的压力
背压 Px/MPa
Pb/MPa

3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
40
45
50
55
60
0.0200
（真空度）
真空度

绝对压力

0.0800
（真空度）
真空度

绝对压力

流量曲线
背压Pb/MPa
（真空度）
孔板流量计压降
0.0050
0.0100
0.0150
0.0200
0.0250
0.0300
0.0350
0.0400
0.0450
0.0500
0.0550
H右/ mmH2O

H左/ mmH2O

△H/ mmH2O

1. 绘制不同工况下喷管内的压力（绝对压力）分布曲线Px/P1～X；
渐缩喷管

缩放喷管：

2. 绘制流量曲线△H～X
渐缩喷管：

缩放喷管：

六、实验注意：
（1）实验时候冷却水的温度不能太高，不然真空泵的效果不好。
（2）停机前，先关真空罐出口调节阀，让真空罐充气，关真空泵后，立即打开此阀，让真空泵充气。防止真空泵回油，也有利于真空泵下次启动。