噴管特性實驗

1、實驗噴管特性實驗1實驗內(nèi)容1.1測定不同工況（初壓p1不變，改變背壓Pb）時氣流在噴管中的流量 qm ,繪制qm - Pb 曲線，比較最大流量qmmax的計算值和實測值，確定臨界壓力Pc。1.2 測定不同工況下氣流沿噴管各截面（噴管軸線位置x ）壓力P的變化，繪制出一組p _x曲線，分析比較臨界壓力pc的計算值和實驗值，觀察和記錄臨界壓力出現(xiàn)在噴管中的位置。2、實驗要求2.1 驗證并進(jìn)一步加深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。2.2 比較熟練地掌握用熱工儀表測量壓力（負(fù)壓）、壓差及流量的方法。2.3 重要概念1的理解：應(yīng)明確在漸縮噴管中，其出

2、口處的壓力不可能低于臨界壓力，流速不可能高于聲速，流量不可能大于最大流量。2.4 重要概念2的理解：應(yīng)明確在縮放噴管中，其出口處的壓力可以低于臨界壓力，流速可高于聲速，而流量不可能大于最大流量。3、實驗儀器與設(shè)備本系統(tǒng)由實驗臺本體、真空泵、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（電測儀器、傳感器集線盒、采集與程控機(jī)箱）計算機(jī)等組成。其中傳感器集線盒、采集與程控機(jī)箱、計算機(jī)并口由計算機(jī)打印共 享線連接。實驗臺由進(jìn)氣管、孔板流量計、噴管、測壓探針真空表及其移動機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、真空罐等幾部分組成，見圖 1。進(jìn)氣管（1）為e 57X 3.5無縫鋼管，內(nèi)徑e 50。（2）空氣自吸氣口進(jìn)入進(jìn)氣管，流過孔板流量計。（3）孔板孔徑e 7

3、,采用角接環(huán)室取壓。（4） U形管壓差計，流量的大小可從U形管壓差計讀出。（5）噴管用有機(jī)玻璃制成。配給漸縮噴管和縮放噴管各一只，見圖2、圖3。根據(jù)實驗的要求，可松開夾持法蘭上的固緊螺絲，向左推開進(jìn)氣管的三輪支架（6）,更換所需的噴管。噴管各截面上的壓力是由插入噴管內(nèi)的測壓探針（7）（外徑e 1.2）連至“可移動真空表” （8）測得，它們的移動通過手輪螺桿機(jī)構(gòu)（9）實現(xiàn)。由于噴管是透明的，測壓探針上的測壓孔（e 0.5）在噴管內(nèi)的位置可從噴管外部看出，也可從裝在“可移動真 空表”下方的針在“噴管軸向坐標(biāo)板”（在圖中未畫出）上所指的位置來確定。噴管的排氣管上還裝有“背壓真空表”（10）,背壓用調(diào)

4、節(jié)閥（11）調(diào)節(jié)。真空罐（12）直徑e 400,體積0.118m3，起穩(wěn)定背壓的作用。罐的底部有排污口，供必要時排除積水和污物之用。為 減小震動，真空罐與真空泵之間用軟管（13）連接。Z-、J / 、(*卜:/ : t x、氣流在該截面上在實驗中必須測量四個變量，即測壓孔在噴管內(nèi)不同截面的位置 的壓力p、背壓Pb、流量qm，這些量可分別用位移指針的位置、可移動真空表、背壓真 空表以及U形管壓差計的讀數(shù)來顯示。本實驗臺配套的儀器設(shè)備選型如下：真空泵：1401型 排氣量3200升/分電測儀器包括負(fù)壓傳感器、壓差傳感器、位移傳感器，它們分別將可移動式真空表、U型管壓差計、測壓探針在噴管內(nèi)不同截面上的

5、壓力轉(zhuǎn)換為電訊號輸入傳感器集線盒，然后在313 a圖1噴管實驗臺1.進(jìn)氣管2.空氣吸氣口 3.孔板流量計4.U形管壓差計5.噴管6.三輪支架7.測壓探壓針8.可移動真空表 9.手輪螺桿機(jī)構(gòu)10.背壓真空表11.背壓用調(diào)節(jié)閥12.真空罐13.軟管接頭計算機(jī)上直接得出實驗曲線。4、實驗準(zhǔn)備學(xué)生應(yīng)預(yù)先閱讀并掌握以下實驗原理:4.1噴管中氣流的基本規(guī)律1)由能量方程：= 1 、q = dh de f 2及、.q = dh - dp可得- dp = e f de f(1)可見，當(dāng)氣體流經(jīng)噴管速度增加時，壓力必然下降。2 ）由連續(xù)性方程:Al fi A2 Cf2、2dA ddc f及過程方程kP常數(shù)有kd

6、 .dpVP根據(jù)-.dp = c f dc fACfCf馬赫數(shù)M，而 c = kp .得:dA(Ma ACf顯然，當(dāng)來流速度Ma ：1時，噴管應(yīng)為漸縮型（dA :：: 0）;當(dāng)來流速度 Ma . 1時,噴管應(yīng)為漸放型（dA .0）。1 本實驗所涉及的噴管結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。圖3縮放噴管圖2漸縮噴管4.2氣體流動的臨界概念噴管氣流的特征是dp ：: 0 , dc f - 0， dv 0，三者之間互相制約。當(dāng)某一截面的流Pc）。臨界壓力與噴速達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀伲ㄒ喾Q臨界速度）時，該截面上的壓力稱為臨界壓力（ 管初壓（Pl）之比稱為臨界壓力比，有:PcPlk廠 2 X|k丄經(jīng)推導(dǎo)可得：7 =|（3）

7、lk +1 丿對于空氣，=0.528當(dāng)漸縮噴管出口處氣流速度達(dá)到聲速，或縮放噴管喉部氣流速度達(dá)到聲速時，通過噴管的氣體流量便達(dá)到了最大值（qmmax），或稱為臨界流量?？捎上率酱_定：m max2k 22Ik +1 (k +1 丿式中:Amin 最小截面積（對于漸縮噴管即為出口處的流道截面積；對于縮放噴管即為喉部處的流道截面積。本實驗臺的兩種最小流道截面積均為19.625 mm2。4.3氣體在噴管中的流動1 ）漸縮噴管漸縮噴管因受幾何條件（dA : 0）的限制，由式（2）可知：氣體流速只能等于或低于聲速（Cf Pc），此時 qmm maxp2 = Pb PcB臨界工況（Pb = Pc )，此匕時

8、 qm = q m maxp 2 = Pb =PcC超臨界工況（Pb Pc），此時 qm=qm maxP2 二 Pc - Pb圖中虛線表示理想氣流， 實線表示實際氣流。 由于氣流有粘性摩擦， 在壁面附近形成邊界層。隨著流程x的延長，邊界層厚度加厚，減小了實際流通面積。所以，實際流量總是小于理論流量。同時，邊界層的存在還使管內(nèi)氣體壓力的分布發(fā)生一些變化。 wMi1mb 0 ）,出口 截面的流速可超聲速（cf c），其壓力可低于臨界壓力（ p2 pc），但因喉部幾何尺寸的 限制，其流量的最大值仍為最大流量（qm ）。m max 氣流在擴(kuò)大段能做完全膨脹，這時出口截面處的壓力稱為設(shè)計壓力（pd）o縮

9、放噴管隨工作背壓不同，亦可分為三種情況：A背壓等于設(shè)計背壓 （Pb二pd ）時，稱為設(shè)計工況。此時氣流在噴管中能完全膨脹，流量達(dá)到最大流量。在噴管喉部，壓力達(dá)到臨界壓力，速度達(dá)到聲速。在擴(kuò)大段轉(zhuǎn)入超聲速 流動，出口截面的壓力與背壓相等（p2 = pb = pd ）B背壓低于設(shè)計背壓（Pb ： Pd ）時，氣流在噴管內(nèi)仍膨脹到設(shè)計壓力。當(dāng)氣流一離 開出口截面便與周圍介質(zhì)匯合，其壓力立即降至實際背壓值，流量仍為最大流量。C背壓高于設(shè)計背壓（pb . pd ）時，氣流在噴管內(nèi)膨脹過度，其壓力低于背壓，以至于氣流在未達(dá)到出口截面處便被壓縮，導(dǎo)致壓力突然升躍（即產(chǎn)生激波），在出口截面處，其壓力達(dá)到背壓。

10、激波產(chǎn)生的位置隨著背壓的升高而向噴管入口方向移動，激波在未達(dá)到喉部之前，其喉部的壓力仍保持臨界壓力，流量仍為最大流量。當(dāng)背壓升高到某一值時，將脫離臨界狀態(tài)，縮放管便與文丘里管的特性相同了，其流量低于最大流量。 縮放噴管的流通特性如圖 6、圖7所示。I Kg-s |1V100. 10 20.30.40.50.60.70.80.91.0圖6縮放噴管流量曲線05101520253035404550x （uim）圖7縮放噴管壓力曲線5、實驗步驟分別對漸縮噴管和縮放噴管進(jìn)行如下相同步驟：5.1 裝好噴管。5.2 對真空泵做開車前檢查（檢查傳動系統(tǒng)、油路、水路）。檢查無問題后打開背壓調(diào)節(jié)閥，用手轉(zhuǎn)動真空泵

11、飛輪幾周，去掉氣缸中過量的油，開啟電動機(jī)，當(dāng)達(dá)到正常轉(zhuǎn)速后可開始實驗。5.3 測量軸向壓力分布：1）把測壓探針的引壓孔移至進(jìn)口截面之外，用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)背壓至一定值（見真空表讀數(shù)），并記錄下該值。2） 轉(zhuǎn)動手輪，使測壓探針向出口方向移動。每移動一定距離（一般約2-3mm）便停頓 下來，記錄該點的坐標(biāo)位置及相應(yīng)的壓力值，一直測至噴管出口之外。把各個點描 繪到坐標(biāo)紙上，便得到一條在這一背壓下噴管的壓力分布曲線。3）若要做若干條壓力分布曲線，只要改變其背壓值并重復(fù)（1 ）、（2）步驟即可。5.4 流量曲線的測繪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(guān)閉罐前調(diào)節(jié)閥，啟動 真空泵。2）

12、 用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)背壓，每一次改變20 30mmHg柱，穩(wěn)定后記錄背壓值和 U型管壓差計的讀數(shù)。當(dāng)背壓升高到某一值時，U型管壓差計的液柱便不再變化（即流量已達(dá)到了最大值）。此后盡管不斷提高背壓，但 U型管壓差計的液柱仍保持不變，這時測 2 3點。至此，流量測量即可完成。5.5 接通電測儀器，分別記錄 qm -卩匕曲線和p _x曲線。5.6 停車。實驗結(jié)束后的設(shè)備操作：打開罐前調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空罐充氣；3分鐘后停真空泵并立即打開罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空泵充氣（目的是防止回油）。最后關(guān)閉冷卻水閥門。5.7 認(rèn)真做好原始記錄。1）設(shè)備數(shù)據(jù)記錄：設(shè)備名稱、型號、規(guī)格等。2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：當(dāng)?shù)卮髿?/p>

13、壓力、室溫、實驗環(huán)境狀況。3）技術(shù)數(shù)據(jù)及繪制的圖形等記入附表內(nèi)。6、實驗注意事項真空泵在停機(jī)前，先關(guān)閉真空罐出口的調(diào)節(jié)閥，讓真空罐充氣。關(guān)停真空泵后，立即打開此閥（真空泵上裝有充氣閥的還可打開充氣閥），讓真空泵充氣。這樣做，一方面防止真空泵回抽，以免損壞用非耐油橡膠制成的減震軟管。另方面有利于真空泵 下次的啟動。7、實驗紀(jì)錄及報告7.1數(shù)據(jù)處理1）壓力值的確定（1）本實驗裝置采用的是負(fù)壓系統(tǒng)，表上讀數(shù)均為真空度，為此須換算成絕對壓力值（P）:P = Pa - Pv（ 5）式中： Pa 大氣壓力（mmbar）；P V 真空度。（2） 由于噴管前裝有孔板流量計，氣流有壓力損失。本實驗裝置的壓力損失

14、為U型 管壓差計讀數(shù)（巾）的97%。因此，噴管入口壓力為：(6)（3）由式（5）、（6）可得到臨界壓力 pc = 0.528 p1，在真空表上的讀數(shù)（即用真空(7)度表示）為:Pc(v)= 0.0472 Pa 0.51 =p計算時，式中各項必須用相同的壓力單位。（大致判斷，pc（v）約為380mmHg ）。2）噴管實際流量測定由于管內(nèi)氣流的摩擦而形成邊界層，從而減少了流通面積。 因此，實際流量必然小于理論值。其實際流量為：(kg/s)4qm =1.37310 - . ：p ； 式中：；流速膨脹系數(shù)；;=1 2.87310-氣態(tài)修正系數(shù);P =0.538 Jp 也 +273幾何修正系數(shù)（約等于1.0）; pU型管壓差計的讀數(shù)（mmH2O）;t a 大氣溫度（C）Pa 大氣壓力（mbar）。7.2 實驗報告要求實驗報告應(yīng)包括實驗內(nèi)容、實驗要求、實驗儀器與設(shè)備簡介、實驗原理、實驗步驟以及實驗結(jié)果處理等內(nèi)容。實驗原始數(shù)據(jù)應(yīng)以表格形式匯總整理，必要時繪制實驗結(jié)果曲線。實驗報告要求條理清晰， 要求統(tǒng)一用 A4打印紙，