噴管中氣體流動基本特性試驗報告

1、噴管中氣體流動基本特性實驗報告一、實驗?zāi)康? .驗證并進一步對噴管中氣流基本規(guī)律的理解。牢固樹立臨界壓力、臨界流速和最大流量等噴管臨界參數(shù)的概念。2 .掌握噴管實驗裝置的實驗原理、實驗方法和操作步驟，比較熟練地用熱工儀表測量壓力（負壓）、壓差及流量。3 .測量并繪制噴管內(nèi)的壓力分布曲線及流量曲線，做出定性的解釋。二、實驗原理噴管是一些熱工設(shè)備的重要部件，這些設(shè)備的工作過程和噴管中氣體的流動過程有密切的關(guān)系。實驗觀察氣流完全膨脹時沿噴管各界面的壓力變化，測定流量曲線和臨界壓力比，可以幫助了解噴管中氣體流動現(xiàn)象的基本特性，并且通過觀察漸縮漸擴噴管中膨脹不足和膨脹過度的現(xiàn)象，還可進一步了解工作條件對

2、噴管中流動過程的影響。氣體在噴管的流動過程中，氣體的狀態(tài)參數(shù)P、V,流速C和噴管截面積f之間的基本關(guān)系可用下面三個方程表示：cdc=-vdpdcdfdv十二0（4-1）cfvdf2dc（M1）fc式中：M為馬赫數(shù)，是表示氣體流動特性的一個重要特性值。M<1時，表明氣體流速小于當(dāng)?shù)匾羲?，M>1時，氣體流速大于當(dāng)?shù)匾羲?，氣體作超音速流動。方程指出：氣體流經(jīng)噴管時，壓力降低，流速增大，噴管的截面積亦隨之變化，而噴管的截面變化情況則取決于M值.1）當(dāng)氣流流速小于音速（即M<1）時，欲使流速增大，噴管截面應(yīng)該是收縮的；2）當(dāng)氣流流速大于音速（即M>1）時，噴管截面應(yīng)該是擴放的；3

3、）當(dāng)流速等于音速時，噴管截面最小，此處正是氣流流速由亞音速過渡到超音速，噴管由收縮形過渡到擴放形的轉(zhuǎn)折點。這點的參數(shù)稱為噴管的臨界參數(shù)，用腳碼C表示，如臨界壓力Pc、臨界流速Q(mào)等等。P2-而稱1.漸縮噴管氣體流經(jīng)噴管的膨脹程度可以用噴管的背壓B與進口壓力P1之比3表示。P是使噴管出口的氣流速度達到當(dāng)為壓力比。而氣體在漸縮噴管中膨脹所能達到的最低壓力,地音速的壓力，即臨界壓力Pc。所以，氣流在漸縮噴管中流動時最大膨脹程度決定于臨界壓力比3PcPi(4-2)PccPi并且臨界壓力比只和氣體的絕熱指數(shù)K有關(guān)。對于空氣等雙原子氣體K=1.4,3c=0.528,R=0.528P1。不同壓力比的工況下，氣

4、流在噴管中流動時的膨脹情況如圖11所示。圖中圖11漸縮噴管中壓力分布1P2=Pc；2,3,4P2>Pc5-P2<Pc圖1-2漸縮噴管的流量曲線繪出三組曲線。1）曲線1：壓力比等于臨界壓力比（3=3c）,即背壓等于臨界壓力（B=Pc）,氣體在噴管中可以由入口壓力P1一直膨脹到出口背壓Pc,即進行了最充分的完全膨脹。這時，噴管出口的氣流流速達到當(dāng)?shù)匾羲俚臄?shù)值。2）曲線2、3、4:壓力比大于臨界壓力比（3>3c）,即背壓大于臨界壓力（P2>Pc）,氣體在噴管中也可以由P1一直膨脹到P2,但噴管出口的氣流流速未達到當(dāng)?shù)匾羲俚臄?shù)值。3）曲線5:壓力比小于臨界壓力（3<3c）

5、,即背壓低于臨界壓力（P2<Pc）,氣體在噴管中壓力由P1只能膨脹到Pc,噴管內(nèi)壓力變化，情況仍如曲線1所示，它不受背壓P2降低的影響，而氣流一離開噴管的出口截面就發(fā)生突然的膨脹，壓力BI至并因而使氣流產(chǎn)生了一部分動能損失。此時，噴管的出口氣流流速仍為當(dāng)?shù)匾羲?。通過漸縮噴管的氣體質(zhì)量流量m與壓力比3（P2/P1）有關(guān)，計算公式為：PiV1P22k(P1)P2P1(4-3)式中：K絕熱指數(shù)；f2噴管的出口截面積m2;V1一噴管進口截面上氣體的比容m3/kg;Pl,P2一噴管進出口截面上氣體壓力和背壓Pa；上式適用于P2>PC的情況。當(dāng)P2=PC時，上式可根據(jù)式（2）的關(guān)系整理成為:2

6、（4-4）（4-5）,2k2=P1mmaxf2VkT7(k-T1)(V)再將k=1.4代入此式，則可將進一步化簡為:mu或mu=0.685f21二0.0404f2PiT（5）式表示，噴管的最大質(zhì)量流量值決定于噴管進口的氣體狀態(tài)，當(dāng)背壓自臨界壓力繼續(xù)降低時，噴管的流量將保持最大值而不再變化。在進口氣體狀態(tài)不變時，漸縮噴管通過的質(zhì)量流量與壓力比的關(guān)系如圖12所示。2漸縮漸擴噴管（拉伐爾噴管）當(dāng)壓力比低于臨界壓力比（3<3c）時，應(yīng)采用漸縮漸擴噴管，以獲得超音速氣流。氣體在漸縮漸擴噴管中流動時的膨脹情況可由圖33所示的三組壓力分布曲線表明。曲線1:噴管在設(shè)計條件下工作，氣流在噴管中由入口壓力膨

7、脹至背壓，即氣流得到完全膨脹。在最小截面上，壓力為臨界壓力、氣流達到臨界流速。在漸擴段轉(zhuǎn)入超音速流動。曲線7:噴管在非設(shè)計條件下工作。此時，噴管的實際背壓低于設(shè)計值，氣流發(fā)生膨脹不足，在噴管內(nèi)氣流仍可如設(shè)計條件一樣（如曲線1）,由入口壓力膨脹至設(shè)計背壓值，當(dāng)氣流一離開出口截面就圖13漸縮漸擴噴管中的壓力分布1-在設(shè)計條件下工作的壓力分布圖；3,3,4,5,6膨脹過度時壓力分布圖一膨脹不足時噴管出口出現(xiàn)的突然膨脹。發(fā)生突然膨脹，壓力降低到實際背壓值。這部分管外突然膨脹使氣流損失了一部分動能曲線2、3、4:噴管在背壓高于設(shè)計背壓的非設(shè)計條件下工作。此時氣流膨脹過度，氣流在噴管中膨脹到比外界（實際）背壓低的壓力，而后由該截面至出口截面氣流發(fā)生壓縮過程，使出口截面壓力提高到外界背壓而排出。噴管中開始發(fā)生壓縮的（截面）位置隨背壓的提高而向最小截面方面移動。當(dāng)背壓提高到某一數(shù)值P2c時，噴管中開始出現(xiàn)壓縮過程的位置發(fā)生在最小截面，如曲線4。曲線5、6：如果再繼續(xù)提高背壓（P2>P2C）,噴管最小截面上的壓力就不再保持臨界壓力，而隨背壓的升高而升高。這時氣體在最小截面之前（即漸縮段）的膨脹情況