華北電力《工程熱力學(xué)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)03空氣在噴管內(nèi)流動(dòng)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)

PAGE13實(shí)驗(yàn)三空氣在噴管內(nèi)流動(dòng)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）鞏固和驗(yàn)證有關(guān)氣體在噴管內(nèi)流動(dòng)的基本理論，掌握氣流在噴管中流速、流量、壓力的變化規(guī)律，加深臨界狀態(tài)參數(shù)、背壓、出口壓力等基本概念的理解。（2）測(cè)定不同工況（>,,）下，氣流在噴管內(nèi)流量的變化，繪制曲線；分析比較的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值；確定臨界壓力。（3）測(cè)定不同工況時(shí)，氣流沿噴管各截面（軸相位置X）的壓力變化情況，繪制關(guān)系曲線，分析比較臨界壓力的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。二、實(shí)驗(yàn)類型綜合性實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)本體、真空泵及測(cè)試儀表等組成。其中實(shí)驗(yàn)本體由進(jìn)氣管段，噴管實(shí)驗(yàn)段（漸縮噴管與漸縮漸擴(kuò)噴管各一），真空罐及支架等組成，實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖見圖3.1，采用真空泵作為氣源設(shè)備，裝在噴管的排氣側(cè)。噴管入口的氣體狀態(tài)用測(cè)壓計(jì)6和溫度計(jì)7測(cè)量。氣體流量用風(fēng)道上的孔板流量計(jì)2測(cè)量。噴管排氣管道中的壓力p2用真空表11測(cè)量。轉(zhuǎn)動(dòng)探針移動(dòng)機(jī)構(gòu)4的手輪，可以移動(dòng)探針測(cè)壓孔的位置，測(cè)量的壓力值由真空表12讀取。實(shí)驗(yàn)中要求噴管的入口壓力保持不變。風(fēng)道上安裝的調(diào)節(jié)閥門3，可根據(jù)流量增大或減小時(shí)孔板壓差的變化適當(dāng)開大或關(guān)小調(diào)節(jié)閥。應(yīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)，使實(shí)驗(yàn)段1前的管道中的壓力維持在實(shí)驗(yàn)選定的數(shù)值。噴管排氣管道中的壓力p2由調(diào)節(jié)閥門3控制，真空罐13起穩(wěn)定排氣管壓力的作用。當(dāng)真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣由實(shí)驗(yàn)本體的吸氣口進(jìn)入并依次通過進(jìn)氣管段，孔板流量計(jì)，噴管實(shí)驗(yàn)段然后排到室外。噴管各截面上的壓力采用探針測(cè)量，如圖3.2所示，探針可以沿噴管的軸線移動(dòng)，具體的壓力測(cè)量是這樣的：用一根直徑為1.2mm的不銹鋼制的探針貫通噴管，起右端與真空表相通，左端為自由端（其端部開口用密封膠封死），在接近左端端部處有一個(gè)0.5mm的引壓孔。顯然真空表上顯示的數(shù)值應(yīng)該是引壓孔所在截面的壓力，若移動(dòng)探針（實(shí)際上是移動(dòng)引壓孔）則可確定噴管內(nèi)各截面的壓力。圖3-2探針測(cè)壓簡(jiǎn)圖1-管道；2-噴管；3-探針；4-測(cè)壓孔；5-測(cè)量噴管各截面壓力的壓力表；6-測(cè)量噴管入口壓力的壓力表；7-測(cè)量噴管排氣管道壓力的壓力表圖3-1噴管實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖圖3-1噴管實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖實(shí)驗(yàn)段（噴管）；2-孔板；3-調(diào)節(jié)閥；4-探針移動(dòng)機(jī)構(gòu)；5-孔板流量計(jì)；6-噴管入口壓差計(jì)；7-水銀溫度計(jì)；8-調(diào)節(jié)閥；9-真空泵；10-風(fēng)道；11-背壓真空表；12-與探針相通的真空表；13-真空罐四、實(shí)驗(yàn)原理1、漸縮噴管氣體在漸縮噴管內(nèi)絕熱流動(dòng)的最大膨脹程度取決于臨界壓力比：（3-1）臨界壓力比只和氣體的等熵指數(shù)k有關(guān)，對(duì)于空氣，k＝1.4，。式中的pcr即為氣體在漸縮噴管中膨脹所能達(dá)到的最低壓力，稱為臨界壓力。氣體在漸縮噴管中的膨脹情況如圖3-3所示。（a）漸縮噴管中氣體分布示意圖（b）漸縮噴管流量曲線圖3-3氣體漸縮噴管中的膨脹情況2、縮放形噴管氣體流經(jīng)縮放形噴管時(shí)完全膨脹的程度決定于噴管的出口截面積A2與噴管中的最小截面積Amin的比值。噴管在不同背壓條件下工作時(shí)，壓力分布如圖3－4所示。圖3-4縮放噴管中氣體壓力分布示意圖五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求1．裝上所需的噴管，將“坐標(biāo)校準(zhǔn)器”調(diào)好，即使指針對(duì)準(zhǔn)“位移坐標(biāo)板”零刻度時(shí)，探針的測(cè)壓孔正好在噴管的入口處。2．開罐前的調(diào)節(jié)閥，將真空泵的飛輪盤車1-2轉(zhuǎn)，一切正常后，打開罐后調(diào)節(jié)閥，打開冷卻水閥門，而后啟動(dòng)真空泵。3．測(cè)量噴管軸向壓力分布情況（1）用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)背壓（）至一定值（見真空表的讀數(shù)），并記下該數(shù)值。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使測(cè)壓探針由入口向出口方向移動(dòng)，每移動(dòng)一定的距離（一般為5mm）便停頓一下，記下該測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置及相應(yīng)的壓力值，一直測(cè)至噴管出口之外，于是便得到一條在這一背壓下的噴管的壓力分布曲線。4．測(cè)量噴管流量變化情況：（1）轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使測(cè)壓探針引壓孔移至噴管的出口截面之外，打開罐后調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉罐前調(diào)節(jié)閥，而后啟動(dòng)真空泵。注釋：如果從實(shí)驗(yàn)3連續(xù)做到實(shí)驗(yàn)4只需將探針移出噴管的出口截面外。（2）用罐前調(diào)節(jié)閥改變背壓值，使背壓值每變化0.01MPa便停頓一下，同時(shí)將背壓值和型管壓差計(jì)的差值記錄下來，以便代入流量公式進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)背壓為某一值時(shí)型管壓差計(jì)的的液柱便不再變化（即流量已達(dá)到最大值）此后盡管不斷地降低背壓，但是型管壓差計(jì)的的液柱高度仍保持不變，這時(shí)再測(cè)2~3個(gè)值即可，到此為止，流量測(cè)量完成。注釋：兩個(gè)真空表的最大量程都是0.1MPa，真空表讀數(shù)越大表示絕對(duì)壓力越小。5．開罐前調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空罐充氣；3分鐘后關(guān)閉真空泵，立即打開罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空泵充氣（防止回油）；1分鐘后關(guān)閉罐前調(diào)節(jié)閥和罐后調(diào)節(jié)閥。6．關(guān)閉冷卻水閥門；關(guān)閉電源。7．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄噴管尺寸見圖紙，圖3-5。（a）漸縮噴管結(jié)構(gòu)圖（b）漸縮漸擴(kuò)噴管結(jié)構(gòu)圖圖3-5噴管尺寸2）噴管入口溫度，入口壓力。入口溫度為室溫。由于在進(jìn)氣管中裝有測(cè)流量孔板，氣流流過孔板將有壓力損失。將略低于大氣壓力，流量越大，低得越多。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)測(cè)，可由下式確定入口壓力：（3-2）式中：△p——孔板流量計(jì)U型管壓差，若U型管壓差計(jì)讀數(shù)為△mmH2O柱高，大氣壓力計(jì)讀數(shù)為mbar則：=-0.97×0.0981mbar=-0.095mbar（3-3）注釋：大氣壓力pa為0.101325MPa，噴管入口壓力p1統(tǒng)一為0.1MPa，此時(shí)計(jì)算可得孔板流量計(jì)U型管壓差為=139.5mmH2O3）孔板流量計(jì)計(jì)算公式：kg/s（3-4）式中：——流量膨脹系數(shù)，；——?dú)鈶B(tài)修正系數(shù)，；——幾何修正系數(shù)，（標(biāo)定值）按1.0計(jì)算；——U型管壓差計(jì)讀數(shù)（mmH2O）——大氣壓力計(jì)讀數(shù)，單位Pa；——室溫，℃注釋：1mbar=100Pa，1MPa=104mbar；1MPa=103kPa4）噴管的一個(gè)重要特征參數(shù)—臨界壓力=0.528在真空表上的讀數(shù)：(真空度)=-=-0.528(-0.095△)，mbar(真空度)=0.472+0.05△，mbar式中：——大氣壓力計(jì)讀數(shù)，mbar△——U型管壓差計(jì)讀數(shù)，mmH2O注釋：噴管入口壓力約為0.1MPa，計(jì)算可得(真空度)=0.047MPa4）噴管流量的理論計(jì)算值:在穩(wěn)定流動(dòng)中，任何截面上的質(zhì)量均相等，流量大小可由下式確定：（3-6）式中：——絕熱指數(shù)；——出口截面積，m2；——分別表示進(jìn)、出口截面氣體的比體積，m3/kg；——分別表示進(jìn)、出口截面上氣體的壓力，Pa。當(dāng)出口截面壓力等于臨界壓力，即：===0.528則對(duì)于空氣，代入，287.1J/kg?℃。（3-7）5）臨界壓力的理論計(jì)算值：=0.528=0.528(-0.095△)=0.528-0.05△mbar（3-8）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表漸縮噴管：表3.1位移——壓力比數(shù)據(jù)表格（）（1）背壓低于臨界壓力工況：pV=0.06MPapb=p1-pV=MPax（mm）05101520253035pV（MPa）px=p1-pV（MPa）px/p1（2）背壓等于臨界壓力工況：pV=0.047MPapb=p1-pV=MPax（mm）05101520253035pV（MPa）px=p1-pV（MPa）px/p1（3）背壓高于臨界壓力工況：pV=0.03MPapb=p1-pV=MPax（mm）05101520253035pV（MPa）px=p1-pV（MPa）px/p1表3.2流量——壓力比數(shù)據(jù)表格（）pV（MPa）pb=p1-pV（MPa）pb/p1（mm）m（×10-3kg/s）注釋：背壓（真空表）可取0.01、0.02、0.03、0.04、0.048、0.06、0.07、0.08MPa縮放噴管：表3.3位移——壓力比數(shù)據(jù)表格（）（1）工況一：pV=0.08MPapb=p1-pV=MPax（mm）05101520253035pV（MPa）px=p1-pV（MPa）px/p1（2）工況二：pV=0.047MPapb=p1-pV=MPax（mm）05101520253035pV（MPa）px=p1-pV（MPa）px/p1（3）工況三：pV=0.03MPapb=p1-pV=MPax（mm）05101520253035pV（MPa）px=p1-pV（MPa）px/p1表3.4流量——壓力比數(shù)據(jù)表格（）pV（MPa）pb=p1-pV（MPa）pb/p1（mm）m（×10-3kg/s）注釋：背壓（真空表）可取0.01MPa、0.02、0.03、0.04、0.048、0.06、0.07、0.08MPa六、注意事項(xiàng)（1）啟動(dòng)真空泵前，對(duì)真空泵傳動(dòng)系統(tǒng)，油路，水路進(jìn)行檢查，檢查無誤后，打開背壓調(diào)節(jié)閥，用手轉(zhuǎn)動(dòng)真空泵飛輪一周，去掉汽缸內(nèi)過量的油氣，啟動(dòng)電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（2）由于測(cè)壓探針內(nèi)徑較小，測(cè)壓時(shí)滯現(xiàn)象比較嚴(yán)重，當(dāng)以不同速度搖動(dòng)手