噴管實(shí)驗(yàn)講義

國(guó)國(guó)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)-熱能教研室噴管實(shí)驗(yàn)講義噴管實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?、驗(yàn)證并進(jìn)一步加深對(duì)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、比較熟練地掌握用常規(guī)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集儀表測(cè)量壓力（負(fù)壓）壓差及流量的方法。3、重要概念1的理解：應(yīng)明確在漸縮噴管中，其出口處的壓力不可能低于臨界壓力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。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，流速可高于音速，而流量不可能大于最大流量。5、應(yīng)對(duì)噴管中氣流的實(shí)際復(fù)雜過程有所了解，能定性解釋激波產(chǎn)生的原因。二實(shí)驗(yàn)裝置整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)、真空泵。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由進(jìn)氣管、孔板流量計(jì)、噴管、測(cè)壓探針真空表及其移動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、真空罐等幾部分組成，見圖1?？冢?則口圖1噴管實(shí)驗(yàn)臺(tái)1?進(jìn)氣管2.空氣吸氣口3.孔板流量計(jì)4.U形管壓差計(jì)5?噴管6.三輪支架7?測(cè)壓探壓針8.可移動(dòng)真空表9.位移螺桿機(jī)構(gòu)及位移傳感器10.背壓真空表11.背壓用調(diào)節(jié)閥12.真空罐13.軟管接頭14、儀表箱15、差壓傳感器16、被壓傳感器17、移動(dòng)壓力傳感器進(jìn)氣管（1）為中57X3.5無縫鋼管，內(nèi)徑屮50。?空氣吸氣口（2）進(jìn)入進(jìn)氣管，流過孔板流量計(jì)（3）?？装蹇讖藉?,采用角接環(huán)室取壓。流量的大小可從U形管壓差計(jì)（4）或微壓傳感器讀出。（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、3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(cè)壓探壓針（7）（外徑屮1.2）連至“可移動(dòng)真空表”（8）測(cè)得，它們的移動(dòng)通過螺桿機(jī)構(gòu)移動(dòng)，標(biāo)尺或位移傳感器（9）實(shí)現(xiàn)。由于噴管是透明的，測(cè)壓探針上的測(cè)壓孔（屮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(dòng)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”背壓用調(diào)節(jié)閥（11）調(diào)節(jié)。真空罐（12）直徑屮400，體積0.118m3。起穩(wěn)定壓的作用。罐的底部有排污口，供必要時(shí)排除積水和污物之用。為減小震動(dòng)，真空罐與真空泵之間用軟管（13）連接。、背壓p、流量m該截面上的壓力pU真空表、在實(shí)驗(yàn)中必須測(cè)量四個(gè)變量，即測(cè)壓孔在噴管內(nèi)的不同截面位置X該截面上的壓力pU真空表、本實(shí)驗(yàn)臺(tái)配套的儀器設(shè)備選型如下：真空泵：1401型排氣量3200升/分用途和特點(diǎn)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要用于《工程熱力學(xué)》教學(xué)中“噴管臨界狀態(tài)的觀察”實(shí)驗(yàn)。1．可方便地裝上漸縮噴管或縮放噴管，觀察氣流沿噴管各截面的壓力變化?？稍诟鞣N不同工況下（初壓不變，改變背壓）觀察壓力曲線的變化和流量的變化，從中著重觀察臨界壓力和最大流量現(xiàn)象。除供定性觀察外，還可作初步的定量實(shí)驗(yàn)。壓力測(cè)量采用精密真空表，精度0.4級(jí)。流量測(cè)量采用低雷諾數(shù)錐形孔板流量計(jì)，適用的流量范圍寬，可從流量接近為零到噴管的最大流量，精度優(yōu)于2級(jí)。4?采用真空泵為動(dòng)力，大氣為氣源。具有初壓初溫穩(wěn)定，操作安全，功耗和噪聲較小，試驗(yàn)氣流不受壓縮機(jī)械的污染等優(yōu)點(diǎn)。噴管用有機(jī)玻璃制作，形象直觀。5．采用一臺(tái)真空泵，可同時(shí)帶兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)配給的漸縮、縮放噴管做全工況觀測(cè)。因裝卸噴管方便，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)還可用作其他各種流道噴管和擴(kuò)壓管的實(shí)驗(yàn)。三、實(shí)驗(yàn)原理1、噴管中氣流的基本規(guī)律1）由能量方程：dq=dq=dh+2dc2及dq=dh-vdp可得-vdp=cdc（1）可見，當(dāng)氣體流經(jīng)噴管速度增加時(shí)，壓力必然下降。2）由連續(xù)性方程：A?cA?c―iiv1A?c22v2=常數(shù)dAdvdcAv及過程方程pvk=常數(shù)kdvvdpP根據(jù)-vdp=cdc馬赫數(shù)M=C，而a=.kpva(2)dAdc(2)得：=(M2—1)一Ac顯然，當(dāng)來流速度M<1時(shí)，噴管應(yīng)為漸縮型（dA<0）；當(dāng)來流速度M>1時(shí)，噴管應(yīng)為漸擴(kuò)型（dA>0）。2、氣流動(dòng)的臨界概念噴管氣流的特征是dp<0，dc>0，dv>0，三者之間互相制約。當(dāng)某一截面的流速達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲ㄒ喾Q臨界速度）時(shí)，該截面上的壓力稱為臨界壓力（p）。c臨界壓力與噴管初壓（p）之比稱為臨界壓力比，有：1pY=cp1經(jīng)推導(dǎo)可得：k—1(3)對(duì)于空氣，丫=0.528當(dāng)漸縮噴管出口處氣流速度達(dá)到音速，或縮放噴管喉部氣流速度達(dá)到音速時(shí)，通過噴管的氣體流量便達(dá)到了最大值（m），或稱為臨界流量?？捎上率絤ax確定：mmax經(jīng)推導(dǎo)可得：k—1(3)對(duì)于空氣，丫=0.528當(dāng)漸縮噴管出口處氣流速度達(dá)到音速，或縮放噴管喉部氣流速度達(dá)到音速時(shí)，通過噴管的氣體流量便達(dá)到了最大值（m），或稱為臨界流量?？捎上率絤ax確定：mmax=Amin(4)式中：A—最小截面積（對(duì)于漸縮噴管即為出口min處的流道截面積；對(duì)于縮放噴管即為喉部處的流道截面積。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的二種最小截面積為：12.56圖二漸縮噴管mm2）。3、氣體在噴管中的流動(dòng)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音速（C<a）；出口截面的壓力只能高于或等于臨界壓力（p>p）；通2c過噴管的流量只能等于或小于最大流量（m）。根據(jù)不同的背壓（p），漸max丄b縮噴管可分為三種工況，如圖三所示：圖四縮放噴管圖四縮放噴管圖3漸縮噴管壓力分布曲線及流量曲線A—亞臨界工況（p>p），此時(shí)m<mTOC\o"1-5"\h\zbcmaxp二p>p2bcB—臨界工況（p二p），此時(shí)m=mbcmaxp二p二p2bcc一超臨界工況（p<p），此時(shí)m=mbcmaxp二p>p2cb（2）縮放噴管縮放管的喉部dA二0，因此氣流可以達(dá)到音速（C二a）；擴(kuò)大段（dA>0）,出口截面的流速可超音速（C>a）,其壓力可小于臨界壓力（p<p），但因喉部幾何尺寸的限制，2c其流量的最大值仍為最大流量（m）ma氣流在擴(kuò)大段能做完全膨脹，這時(shí)出口截面出的壓力成為設(shè)計(jì)壓力（p）。d縮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(jì)背壓（p二p）bd時(shí)，稱為設(shè)計(jì)工況。此時(shí)氣流在噴管中能完全膨脹，出口截面的壓力與背壓相等（p=p=p），見圖五中的曲線A。在噴管喉部，壓力達(dá)到臨界壓力，速度達(dá)2bd到音速。在擴(kuò)大段轉(zhuǎn)入超音速流動(dòng)，流量達(dá)到最大流量。B—被壓低于設(shè)計(jì)背壓（p<p）時(shí)，氣流在噴管內(nèi)仍按曲線A那樣膨脹到bd設(shè)計(jì)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(shí)際背壓值，如圖五曲線B所示，流量仍為最大流量。C—被壓高于設(shè)計(jì)被壓（p>p）時(shí)，氣流在噴管內(nèi)膨脹過渡，其壓力低于bd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。如圖五中的曲線C所示。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(dòng)，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(shí)，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。四、操作步驟（計(jì)算機(jī)接口及操作見軟件使用說明）1、裝上所需的噴管，用“坐標(biāo)校準(zhǔn)器”調(diào)好“位移坐標(biāo)板”的基準(zhǔn)位置。2、打開罐前的調(diào)節(jié)閥，將真空泵的飛輪盤車一至二圈。一切正常后，全開罐后調(diào)節(jié)閥，打開冷卻水閥門。而后啟動(dòng)真空泵。3、測(cè)量軸向壓力分布：（1）、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(dòng)手輪，使測(cè)壓探針向出口方向移動(dòng)。每移動(dòng)一定距離（一般約2-3mm）便停頓下來，記錄該點(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。把各個(gè)點(diǎn)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。4、流量曲線的測(cè)繪（1）、把測(cè)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(dòng)真空泵。（2）、用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)背壓，每次改變2030mmHg柱，穩(wěn)定后記錄背壓值和U型管差壓計(jì)的讀數(shù)。當(dāng)背壓升高（真空度升高，絕對(duì)壓力下降）到某一值時(shí),U型管差壓計(jì)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型管差壓計(jì)的液柱仍保持不變，這時(shí)測(cè)2—3點(diǎn)?？赏瓿?。漸縮噴管和縮放噴管的流量曲線參見圖2和圖3。至此，流量測(cè)量即5、實(shí)驗(yàn)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。五、數(shù)據(jù)處理1、壓力值的確定（1）、本實(shí)驗(yàn)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(duì)壓力值（p）：TOC\o"1-5"\h\zp二p-p（5）a（v）式中：p—大氣壓力（mmbar）；ap—用真空度表示的壓力。（v）2）、由于噴管前裝有孔板流量計(jì)，氣流有壓力損失。本實(shí)驗(yàn)裝置的壓力損失為U型管差壓計(jì)讀數(shù)（Ap）的97%。因此，噴管入口壓力為:p二p—0.97Ap（6）1a（3）、由式（5）、（6）可得到臨界壓力p二0.58p，在真空表上的讀數(shù)（即用真c1空度表示）為:p二0.0472p+0.51Ap（7）c（v）a計(jì)算時(shí)，式中各項(xiàng)必須用相同的壓力單位。（大致判斷，p約為380mmHg柱）