噴管特性實驗指導書

PAGEPAGE1《工程熱力學》噴管特性實驗實驗指導書編制：朱天宇肖洪河海大學機電工程學院2006年5月噴管特性實驗實驗目的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。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。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。實驗原理噴管是一些熱工設備的重要部件，這些設備的工作過程和噴管中氣體的流動過程有密切的關系。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噴管中流動過程的影響。（一）收縮噴管出口的流速和流量假設噴管進口的氣流參數(shù)都用它們對應的滯止參數(shù)表示，噴管出口處的氣流參數(shù)用下標1表示，則噴管中絕能流的能量方程為對于比熱為常數(shù)的理想氣體，上式成為引用等熵過程關系式和狀態(tài)方程（理想氣體的），于是噴管出口的氣流速度（1-1）可見對于給定的氣體，在收縮噴管出口氣流未達到臨界狀態(tài)之前，進口的總焓越高，或者出口氣流的壓強對滯止壓強比越小，則出口氣流的速度越高。收縮噴管出口氣流速度最高可達當?shù)芈曀?，即出口氣流處于臨界狀態(tài)。通過噴管的質(zhì)量流量為：將式（1-1）式代入上式得出（1-2）是的連續(xù)函數(shù)，而且當=0和時，都等于零。由此推論。在的范圍內(nèi)必有的極限值。為了推求流量的最大值，取上式對的導數(shù)，并令，即意即等于臨界壓強時，收縮噴管的流量達到最大值，這時噴管出口氣流達臨界狀態(tài)。收縮噴管出口氣流的臨界速度和臨界流量分別為可見，對于給定的氣體，收縮噴管出口的臨界速度決定于進口氣流的滯止參數(shù)，經(jīng)過噴管的最大流量決定于進口氣流的滯止參數(shù)和出口截面積。（二）縮放噴管出口流速和流量及面積比公式假設噴管進口的氣流參數(shù)都用他們對應的滯止參數(shù)表示，噴管出口處的氣流參數(shù)用下標1表示。由于這里討論的仍然是噴管內(nèi)氣流的等熵過程，如果噴管內(nèi)的氣流又是在設計工況下得到完全膨脹的正常流動，則噴管出口的氣流速度與通過噴管的質(zhì)量流量仍可按漸縮管中的公式計算，但其中的截面面積必須代之以喉部截面積，即因為通過噴管的流量就是喉部能通過的流量的最大值。噴管的截面積隨無量綱速度的變化規(guī)律可以由連續(xù)方程求得。根據(jù)連續(xù)方程以及等熵過程關系式最終導出（1-3）這就是縮放噴管的面積比公式?？梢娨玫侥骋获R赫數(shù)的超聲速氣流，所需要的面積比是唯一的，而與這個面積比相對應的壓強比也是唯一的。就是說，要利用縮放噴管得到某一馬赫數(shù)的超聲速氣流，不僅要具備必要的幾何條件，而且同時要具備必要的壓強條件，缺一不可。實驗裝置本實驗裝置由實驗本體（含進氣管段、噴管試驗段、真空罐及支架等）、真空泵、測量儀表等組成，如圖1-0所示。測試系統(tǒng)主要是常規(guī)熱工測量儀表（真空表、U型管壓差計）及電子測試系統(tǒng)（傳感器、放大器、計算機等），可以手動測量，也可以由計算機自動測量，本實驗以手動測量進行。真空泵運轉(zhuǎn)時，空氣自實驗本體的吸氣口進入，一次通過進氣管段、孔板流量計、噴管，最后排至室外。入口段2-U型管壓差計3-孔板流量計4-噴管試驗段5-真空表6-支撐架7-穩(wěn)壓罐8、9-調(diào)節(jié)閥10-真空泵11-探針自動移動機構(gòu)12-探針手動移動機構(gòu)（手槍）13-橡膠接管圖1-0噴管試驗設備結(jié)構(gòu)圖噴管軸向截面上的壓力是用直徑為1.2mm的不銹鋼管制的探針貫通噴管，其右端與真空表連通，左端為自由端（其端部開口用密封膠封死），在接近左端前端的側(cè)面鉆有一個0.5mm的引壓孔。顯然，真空表上顯示的數(shù)值就是引壓孔所在截面的靜壓力。移動探針（實際是移動引壓孔），從而達到測定噴管內(nèi)各截面的壓力之目的。噴管的背壓由固定在排氣管段上的真空表測定，通過噴管的空氣流量則由孔扳流量計及U型管壓差計測定。操作步驟1.裝上所需的噴管（漸縮噴管或縮放噴管），用“坐標校準器”調(diào)好“位移坐標扳”的基準位置。2.打開罐前調(diào)節(jié)閥，將真空泵的飛輪盤車1~2轉(zhuǎn)，一切正常后，全開罐后調(diào)節(jié)閥，打開冷卻水閥。然后啟動真空泵。3.測量軸向壓力分布。計算機顯示的不同位置的壓力分布見圖1-1。3.1手動測量部分3.1.1用罐前的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)背壓至一定值（見真空表讀數(shù)），并記下該數(shù)值。3.1.2轉(zhuǎn)動手槍，使測壓探針向出口方向移動。每移動一定距離（一般約2~3mm）便停一下，記下該測點的坐標位置及相應的壓力值，一直測至噴管出口之處。于是便得到一條在這一背壓下噴管的壓力分布曲線。3.1.3若要作若干條壓力分布曲線，只要改變其背壓值并重復步驟1~2即可。3.2軟件測量部分3.2.1計算機進入測量“壓力位移曲線”界面，按下電極行進開關按鈕，使“位移指示指針”對準“位移坐標板”的零刻度。圖1-1壓力--位移曲線3.2.2開啟真空泵，調(diào)整罐前的調(diào)節(jié)閥，使噴管的背壓為某個值。按下數(shù)據(jù)采集開關，這時，壓力位移曲線會隨著電機的行進漸漸的在計算機屏幕中顯示出來，同時，還會顯示當前的位移與負壓值。當水平位移值達到50毫米時，電機會自動停止，并給出相應的提示。3.2.3若按下“保存數(shù)據(jù)”按鈕，整條曲線數(shù)據(jù)將會保存起來。3.2.4若按下“暫存曲線”按鈕，整條曲線會被暫存起來，這樣做的目的是為了在同一坐標下顯示多條曲線。3.2.5若按下“制作報告”按鈕，當前的所有的實驗參數(shù)和測量數(shù)據(jù)將會在EXCEL顯示出來，同時還會把測量曲線給EXCEL，結(jié)果見圖1-2。圖1-2坐標點的生成3.2.6若調(diào)整罐前的調(diào)節(jié)閥，改變噴管的背壓值，重復以上步驟，便可得到一組位移壓力曲線見圖1-1。4.壓力流量曲線測試4.1手動測量部分4.1.1把測壓探針的引壓孔移至出口截面之外，打開罐后調(diào)節(jié)閥，關閉罐前調(diào)節(jié)閥，啟動真空泵。4.1.2用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)背壓，每變化20~30mmHg便停頓一下，同時將背壓值和U型管壓差計的讀書記下來。當背壓升到某一值時，U型管壓差計的液柱便不再變化（即流量已達到了最大值）。此后盡管不斷的提高背壓，但U型管壓差計的液柱仍保持不變，這時再測2~3點，至此，流量測量即可結(jié)束。漸縮噴管和縮放噴管的流量曲線見圖1-3。圖1-3壓力流量曲線4.2軟件測量部分4.2.1計算機進入測量“壓力流量曲線”界面。按下電機進行開關按鈕，將“位移指示指針”移至“位移坐標板”大約40毫米刻度處。4.2.2逐漸關閉罐后的壓力調(diào)節(jié)閥，按下數(shù)據(jù)采集開關，這時，壓力流量曲線會隨著壓力調(diào)節(jié)閥漸漸的關閉在計算機屏幕中顯示出來，同時，還會顯示當前的壓差值與流量值。4.2.3當罐后的壓力調(diào)節(jié)閥徹底關閉時，屏幕上會顯示一條完整的壓力流量曲線。結(jié)果參見圖1-3。打開罐前調(diào)節(jié)閥，關閉罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空罐充氣；3分鐘后關閉真空泵，立即打開罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空泵充氣（防止回油）；最后關閉冷卻水閥門。數(shù)據(jù)處理壓力值的確定本實驗裝置采用的是負壓系統(tǒng)，表上讀數(shù)均為真空度，為此必須換算成絕對壓力值（p）。p=pa—pv（1—4）式中：pa—大氣壓（mmHg），pv—真空度（mmHg）由與噴管前裝有孔扳流量計，氣流有壓力損失，本實驗裝置的壓力損失為U型管壓差計讀數(shù)（△p）的97%。因此，噴管入口壓力為：p1=pa—0.97△p（1—5）由式（1—4）、（1—5）可得到臨界壓力pc=0.528p1,在真空表上的讀數(shù)(即用真空度表示)為：pv,c=0.472pa+0.51△p式中各項計算時必須用相同的壓力單位。大致判斷，pv,c約為380mmHg。噴管實際流量的確定由于噴管內(nèi)氣流的摩擦形成邊界層從而減少了流通面積，因此實際流量必須小于理論值，其實際流量為：(kg/s)式中：ε—流束膨脹系數(shù)；β—氣態(tài)修正系數(shù),pa—大氣壓力，mmHg；ta—大氣溫度，℃δ—幾何修正系數(shù)，δ=1.017；△p—U型管壓差計讀數(shù)，mmH2O若p0的單位用mbar，ε、β公式應改為將數(shù)據(jù)處理結(jié)果填入下面的表格表1-1位移壓力表位移x0mm5mm10mm15mm20mm25mm