噴管特性實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

PAGEPAGE1《工程熱力學(xué)》噴管特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)編制：朱天宇肖洪河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2006年5月噴管特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證并進(jìn)一步對(duì)噴管中氣流基本規(guī)律的理解。牢固樹(shù)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(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法和操作步驟，比較熟練地用熱工儀表測(cè)量壓力（負(fù)壓）、壓差及流量。測(cè)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(shí)驗(yàn)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(guò)程和噴管中氣體的流動(dòng)過(guò)程有密切的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)觀察氣流完全膨脹時(shí)沿噴管各界面的壓力變化，測(cè)定流量曲線和臨界壓力比，可以幫助了解噴管中氣體流動(dòng)現(xiàn)象的基本特性，并且通過(guò)觀察漸縮漸擴(kuò)噴管中膨脹不足和膨脹過(guò)度的現(xiàn)象，還可進(jìn)一步了解工作條件對(duì)噴管中流動(dòng)過(guò)程的影響。（一）收縮噴管出口的流速和流量假設(shè)噴管進(jìn)口的氣流參數(shù)都用它們對(duì)應(yīng)的滯止參數(shù)表示，噴管出口處的氣流參數(shù)用下標(biāo)1表示，則噴管中絕能流的能量方程為對(duì)于比熱為常數(shù)的理想氣體，上式成為引用等熵過(guò)程關(guān)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(jiàn)對(duì)于給定的氣體，在收縮噴管出口氣流未達(dá)到臨界狀態(tài)之前，進(jìn)口的總焓越高，或者出口氣流的壓強(qiáng)對(duì)滯止壓強(qiáng)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(dá)當(dāng)?shù)芈曀伲闯隹跉饬魈幱谂R界狀態(tài)。通過(guò)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(dāng)=0和時(shí)，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(duì)的導(dǎo)數(shù)，并令，即意即等于臨界壓強(qiáng)時(shí)，收縮噴管的流量達(dá)到最大值，這時(shí)噴管出口氣流達(dá)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(jiàn)，對(duì)于給定的氣體，收縮噴管出口的臨界速度決定于進(jìn)口氣流的滯止參數(shù)，經(jīng)過(guò)噴管的最大流量決定于進(jìn)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(shè)噴管進(jìn)口的氣流參數(shù)都用他們對(duì)應(yīng)的滯止參數(shù)表示，噴管出口處的氣流參數(shù)用下標(biāo)1表示。由于這里討論的仍然是噴管內(nèi)氣流的等熵過(guò)程，如果噴管內(nèi)的氣流又是在設(shè)計(jì)工況下得到完全膨脹的正常流動(dòng)，則噴管出口的氣流速度與通過(guò)噴管的質(zhì)量流量仍可按漸縮管中的公式計(jì)算，但其中的截面面積必須代之以喉部截面積，即因?yàn)橥ㄟ^(guò)噴管的流量就是喉部能通過(guò)的流量的最大值。噴管的截面積隨無(wú)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(guò)程關(guān)系式最終導(dǎo)出（1-3）這就是縮放噴管的面積比公式?？梢?jiàn)要得到某一馬赫數(shù)的超聲速氣流，所需要的面積比是唯一的，而與這個(gè)面積比相對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)比也是唯一的。就是說(shuō)，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(shí)要具備必要的壓強(qiáng)條件，缺一不可。實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)本體（含進(jìn)氣管段、噴管試驗(yàn)段、真空罐及支架等）、真空泵、測(cè)量?jī)x表等組成，如圖1-0所示。測(cè)試系統(tǒng)主要是常規(guī)熱工測(cè)量?jī)x表（真空表、U型管壓差計(jì)）及電子測(cè)試系統(tǒng)（傳感器、放大器、計(jì)算機(jī)等），可以手動(dòng)測(cè)量，也可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)以手動(dòng)測(cè)量進(jìn)行。真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣自實(shí)驗(yàn)本體的吸氣口進(jìn)入，一次通過(guò)進(jìn)氣管段、孔板流量計(jì)、噴管，最后排至室外。入口段2-U型管壓差計(jì)3-孔板流量計(jì)4-噴管試驗(yàn)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(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)12-探針手動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)（手槍?zhuān)?3-橡膠接管圖1-0噴管試驗(yàn)設(shè)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(kāi)口用密封膠封死），在接近左端前端的側(cè)面鉆有一個(gè)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(dòng)探針（實(shí)際是移動(dòng)引壓孔），從而達(dá)到測(cè)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(cè)定，通過(guò)噴管的空氣流量則由孔扳流量計(jì)及U型管壓差計(jì)測(cè)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(biāo)校準(zhǔn)器”調(diào)好“位移坐標(biāo)扳”的基準(zhǔn)位置。2.打開(kāi)罐前調(diào)節(jié)閥，將真空泵的飛輪盤(pán)車(chē)1~2轉(zhuǎn)，一切正常后，全開(kāi)罐后調(diào)節(jié)閥，打開(kāi)冷卻水閥。然后啟動(dòng)真空泵。3.測(cè)量軸向壓力分布。計(jì)算機(jī)顯示的不同位置的壓力分布見(jiàn)圖1-1。3.1手動(dòng)測(cè)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(jiàn)真空表讀數(shù)），并記下該數(shù)值。3.1.2轉(zhuǎn)動(dòng)手槍?zhuān)箿y(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(fù)步驟1~2即可。3.2軟件測(cè)量部分3.2.1計(jì)算機(jī)進(jìn)入測(cè)量“壓力位移曲線”界面，按下電極行進(jìn)開(kāi)關(guān)按鈕，使“位移指示指針”對(duì)準(zhǔn)“位移坐標(biāo)板”的零刻度。圖1-1壓力--位移曲線3.2.2開(kāi)啟真空泵，調(diào)整罐前的調(diào)節(jié)閥，使噴管的背壓為某個(gè)值。按下數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)，這時(shí)，壓力位移曲線會(huì)隨著電機(jī)的行進(jìn)漸漸的在計(jì)算機(jī)屏幕中顯示出來(lái)，同時(shí)，還會(huì)顯示當(dāng)前的位移與負(fù)壓值。當(dāng)水平位移值達(dá)到50毫米時(shí)，電機(jī)會(huì)自動(dòng)停止，并給出相應(yīng)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(huì)保存起來(lái)。3.2.4若按下“暫存曲線”按鈕，整條曲線會(huì)被暫存起來(lái)，這樣做的目的是為了在同一坐標(biāo)下顯示多條曲線。3.2.5若按下“制作報(bào)告”按鈕，當(dāng)前的所有的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)將會(huì)在EXCEL顯示出來(lái)，同時(shí)還會(huì)把測(cè)量曲線給EXCEL，結(jié)果見(jiàn)圖1-2。圖1-2坐標(biāo)點(diǎn)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(fù)以上步驟，便可得到一組位移壓力曲線見(jiàn)圖1-1。4.壓力流量曲線測(cè)試4.1手動(dòng)測(cè)量部分4.1.1把測(cè)壓探針的引壓孔移至出口截面之外，打開(kāi)罐后調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉罐前調(diào)節(jié)閥，啟動(dòng)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(shí)將背壓值和U型管壓差計(jì)的讀書(shū)記下來(lái)。當(dāng)背壓升到某一值時(shí)，U型管壓差計(jì)的液柱便不再變化（即流量已達(dá)到了最大值）。此后盡管不斷的提高背壓，但U型管壓差計(jì)的液柱仍保持不變，這時(shí)再測(cè)2~3點(diǎn)，至此，流量測(cè)量即可結(jié)束。漸縮噴管和縮放噴管的流量曲線見(jiàn)圖1-3。圖1-3壓力流量曲線4.2軟件測(cè)量部分4.2.1計(jì)算機(jī)進(jìn)入測(cè)量“壓力流量曲線”界面。按下電機(jī)進(jìn)行開(kāi)關(guān)按鈕，將“位移指示指針”移至“位移坐標(biāo)板”大約40毫米刻度處。4.2.2逐漸關(guān)閉罐后的壓力調(diào)節(jié)閥，按下數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)，這時(shí)，壓力流量曲線會(huì)隨著壓力調(diào)節(jié)閥漸漸的關(guān)閉在計(jì)算機(jī)屏幕中顯示出來(lái)，同時(shí)，還會(huì)顯示當(dāng)前的壓差值與流量值。4.2.3當(dāng)罐后的壓力調(diào)節(jié)閥徹底關(guān)閉時(shí)，屏幕上會(huì)顯示一條完整的壓力流量曲線。結(jié)果參見(jiàn)圖1-3。打開(kāi)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(kāi)罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空泵充氣（防止回油）；最后關(guān)閉冷卻水閥門(mén)。數(shù)據(jù)處理壓力值的確定本實(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，為此必須換算成絕對(duì)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(jì)，氣流有壓力損失，本實(shí)驗(yàn)裝置的壓力損失為U型管壓差計(jì)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(xiàng)計(jì)算時(shí)必須用相同的壓力單位。大致判斷，pv,c約為380mmHg。噴管實(shí)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(shí)際流量必須小于理論值，其實(shí)際流量為：(kg/s)式中：ε—流束膨脹系數(shù)；β—?dú)鈶B(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(jì)讀數(shù)，mmH2O若p0的單位用mbar，ε、β公式應(yīng)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