《工程热力学》实验指导书

《工程热力学》实验指导书喷管特性实验一、实验目的1、验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，树立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念；2、比较熟练地掌握用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法；3、明确在渐缩喷管中，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。二、实验装置喷管实验台1.进气管2.空气吸气口3.孔板流量计4.U形管压差计5.喷管6.支架7.测压探压针8.可移动真空表9.手轮螺杆机构10.背压真空表11.背压用调节阀12.真空罐13.软管接头渐缩喷管三、实验原理1、喷管中气流的基本规律cdcMAdA)1(2，来流速度1M，喷管为渐缩喷管)0(dA.2、气流动的临界概念当某一截面的流速达到当地音速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（cp）。临界压力与喷管初压（1p）之比称为临界压力比，有：1ppc当渐缩喷管出口处气流速度达到音速，通过喷管的气体流量便达到了最大值（maxm），或称为临界流量。可由下式确定：1112minmax1212pkkkAmk式中：minA—最小截面积（本实验台的最小截面积为：19.625mm2）。3、气体在喷管中的流动渐缩喷管因受几何条件)0(dA的限制，气体流速只能等于或低于音速（aC）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（cpp2）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（maxm）。根据不同的背压（bp），渐缩喷管可分为三种工况：A—亚临界工况（cbpp），此时mmaxm,cbppp2B—临界工况（cbpp），此时m=maxm,cbppp2C—超临界工况（cbpp），此时mmaxm,bcppp2四、操作步骤1、用“坐标校准器”调好“位移坐标板”的基准位置；2、打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。而后启动真空泵；3、测量轴向压力分布：用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记录；然后转动手轮，使测压探针向出口方向移动。每移动5mm便停顿下来，记录该点的位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外；4、流量的测量：把测压探针的引压孔移至出口截面之外，打开罐后调节阀，关闭罐前调节阀，启动真空泵，然后用罐前调节阀调节背压，每次改变50mmHg柱，稳定后记录背压值和U形管差压计的读数。当背压升高到某一值时，U形管差压计的液柱便不再变化（即流量达到了最大值），此后尽管不断提高背压，但U形管差压计的液柱仍保持不变；5、打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3分钟后停真空泵并立即打开罐后调节阀，让真空泵充气（目的是防止回油），最后关闭冷却水阀门。工况背压真空表读数背压值测点序号测点位置（mm）移动真空表读数测点压力值临1界状态23456789亚临界状态123456789超临界状态123456789序号项目12345678910背压真空表读数背压值U型管差压计的读数实际流量五、数据处理1、压力值的确定（1）真空度换算成绝对压力值（p）：)(vappp式中：ap—大气压力（mmbar）；)(vp—用真空度表示的压力。（2）由于喷管前装有U形管压力计，气流有压力损失。本实验装置的压力损失为U形管差压计读数（p）的97%。因此，喷管入口压力为：pppa97.01（3）临界压力158.0ppc，真空度为：pppavc51.00472.0)(计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，)(vcp约为380mmHg柱）。2、喷管实际流量测定由于管内气流的摩擦而形成边界层，从而减少了流通面积。因此，实际流量必然小于理论值。其实际流量为：pm41073.1（kg/s）式中：—流速膨胀系数，app210873.21—气态修正系数，273538.0aatp—几何修正系数（约等于1）；Δp—U型管差压计的读数（mmHg）；at—室温（℃）；ap—大气压力（mmbar）。六、实验报告要求1、以测点位置（x）为横坐标，以1pp为纵坐标，绘制不同工况下的压力分布曲线。2、以压力比1ppb为横坐标，流量m为纵坐标，绘制流量曲线。实验三空气在喷管中流动性能测定实验一、实验目的：1、验证和加深理解喷管中气体流动的基本理论。2、观察气流在喷管中各截面的流速，流量，压力变化规律及掌握有关测试方法。3、熟悉不同形式喷管的机理，加深对流动的临界状态基本概念的理解。二、实验原理：1、喷管中气体流动的基本规律气体在喷管中作一元稳定等熵流动中，压力降低，流速增加。气流速度C，密度ρ及压力P的变化与截面A的变化及马赫数Ma（速度与音速之比）的大小有关。它们的变化规律如下表：Ma渐缩管0dxdAMa渐扩管0dxdAdxdcdxddxdpdxdcdxddxdp100100100100（1）在亚音速（Ma1）等熵流动中，气体在0dxdA的管道（渐缩管）里，速度C增加，而密度，压力P降低，在0dxdA的管道（渐扩管）里，速度C减小，而密度ρ，压力P增大。（2）在超音速（Ma1）等熵流动中，气体在渐缩管中，速度C减小，而压力P，密度ρ增大，在渐扩管中，速度C增加，压力P，密度ρ降低。（3）在Ma=1，即达到临界流动状态，此时，压力为临界压力，气流速度为音速。2、喷管中流量的计算（1）理论流量：根据气体一元稳定等熵流动中，任何截面上质量流量都相等，且不随时间变化。流量大小由连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体方程，等熵过程方程，得到气体在喷管中流量的计算式：00011221211002222)()(12PPPPVPAVCAqm（kg/s）式中：0—绝热指数C2—出口速度m/sA2—出口截面积m2V2—出口比体积（m3/kg）P2—出口压力（MPa）P1—进口压力（MPa）V1—进口比体积（m3/kg）若：P1=P2时0mqP2=0时0mq，即在0＜P2≤Pc渐缩喷管的出口压力P2或缩放喷管的喉部压力Pth降至临界压力时，喷管中的流量达最大值，计算式如下：1112000minmax,)12(12VPAqkm临界压力Pc为：11000)12(PPc将0=1.4代入Pc=0.528P1（2）、实测流量由于气流与管内壁间的摩擦产生的边界层，减少了流动截面，因为实际流量是小于理论流量，本实验台采用孔板流量计来测量喷管的流量。孔板流量计上所示的压差△P（U型管上读出）。质量流量qm与压差△P的关系式为：Pqm410373.1（kg/s）式中：——流量膨账系数,aPP410373.11——气态修正系数,15.2730538.0aatP——几何修正系数,（标定值）△P——U型管压差计读数（mm.H2O）Pa——大气压ta——室温℃为了消除进口压力P1改变的影响，在绘制各种曲线时采用压力比做座标，绘制出压力曲线Px/P1——X和流量曲线mq——Pb/P1由于实验台采用的是真空表测压、因此临界压力Pc在真空表上的读数P′c为1528.0PPPPPacac由于孔板流量计的压降和空气在喷管进口的气流滞止现象，喷管进口压力为：PPPa97.01P以汞柱为单位时的孔板流量计压差)(59.132mmHgHPOH三、实验装置实验装置总图如图1所示。主要由真空泵和喷管实验台主体组成。各部件作用及测量过程如下：图1实验台总图图2渐缩喷管图3缩放喷管由于真空泵的抽吸，空气由进气2口进入吸气管1（φ57×3.5的无缝钢管）中，经过孔板流量计3（φ7）进入喷管。流量的大小可由U形管压差计4上读出。喷管5用有机玻璃制成。备有渐缩喷管与缩放喷管两种型式，如图2、图3所示。可根据实验要求，松开夹持法兰上的螺丝向左推开三轮支架6，更换所需要的喷管。喷管各截面上的压力，可从可移动的真空表8上读出，真空表8与内径为φ0.8的测压探针7相连。探针的顶端封死，在其中段开有径向测压小孔通过摇动手轮螺杆机构9，可使探针7沿喷管轴线左右移动，从而改变测压孔的位置，进行喷管中不同截面上压力的测量。测压孔的位置，可以由位于可移动真空表8下方的指针，在座标板上所指出的x值来确定。喷管的排气管上还装有背压Pb真空表10。背压由调节阀11调节。真空罐12前的调节阀11用于急速调节。直径为φ400的真空罐12是用于稳定背压Pb的作用。为了减少振动，泵与罐之间用软管13连接。实验中需测量4个变量：（1）测压探针7上测压孔的水平位置x。（2）气流沿喷管轴线x截面上的压力Px；（3）背压Pb；（4）流量mq。这4个变量可分别用位移指针的位置x，真空表8上的读数P5。背压真空表10上的读数Pb，及U形管压差计4上的读数△P测得。特别需要注意的是P5和P6是真空度，计算和绘制曲线时要换算成绝对压力。四、实验步骤1、用座标校准器调准“位移座标”的基准位置。然后小心地装上要求实验的喷管。（注意：不要碰坏测压探针）打开调压阀11。2、检查真空泵的油位，打开冷却水阀门，用手轮转动飞轮1-2圈，检查一切正常后，启动真空泵。3、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11′调节背压Pb至一定值。摇动手轮9使测压孔位置x自喷管进口缓慢向出移动。每隔5mm—停，记下真空表8上的读数（真空度）。这样将测得对应于某一背压下的一条Px/P1—X曲线。4、再用罐前调节阀11′逐次调节背压Pb，为设定的背压值。在各个背压值下，重复上述摇动手轮9的操作过程，而得到一组在不同背压下的压力曲线Px/P1—X，（如图4，图6所示）。qm×103[xg/s]图4渐缩喷管压力曲线5、摇动手轮9，使测压孔的位置x位于喷管出口外30-40mm处。此时真空表8上的读数为背压Pb。6、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11’调节背压Pb，使它由全关状态逐渐慢开启。随背压Pb降低（真空度升高），流量qm逐渐增大，当背压降至某一定值（渐缩喷管为Pc，缩放喷管为Pf）时，流量达到最大值qm,max，以后将不随Pb的降低而改变。7、用罐前调节阀11’重复上述过程，调节背压Pb，每变化50mmHg一停，记下真空表10上的背压读数和U形管压力计4上的压差△P（mmH2O）读数（低真空时，流量变化大，可取20mmHg；高真空时，流量变化小，可取10mmHg间隔）将读数换算成压力比Pb/P1和流量mq在座标纸上绘出流量曲线（如图5、图7所示）。图6缩放喷管压力曲线图5渐缩喷管流量曲线（当20,1.011tMPpa℃）图7孔板流量计pm曲线8、在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐调节阀11’，关闭罐后调节阀11，使罐内充报导。当关闭真空泵后，立即打开罐后调节阀11，使真空泵充气。以防止真空泵回油。最后关闭冷却水阀门。五、数据记录与整理实验中应认真做好原始数据记录（包括：室温ts，大气压Pa及实验日期）如发现实验结果出现较大误差，应仔细分析查找原因。在整理时，由于各种实验曲线都是以压力比（PaP1，PbP1）作座标，因此必须将压力换算为相同单位进行计算。建议所有数据如下两种形式的表格中。六、思考题（实验结果部分，结合图表回答）1、渐缩喷管出口截面压力（）低于临界压力；缩放喷管出口截面压力（）低于临界压力；(a)有可能(b)不可能2、当背压低于临界压力时渐缩喷管内气体（）充分膨胀渐放喷管内气体（）充分膨胀(a)有可能(b)不可能3、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（）充分膨胀(a)一定(b)不一定4、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（）临界压力缩放喷管出口截面压力（）背压渐缩喷管出口截面压力（）背压当背压高于临界压力时，渐缩喷管出口截面压力（）背压(a)高于(b)低于(c)等于(d)等于或高于5、当Pb/P10.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（）流经缩放喷管的气体流速随背压降低而（）当Pb/P10.528时，流经渐缩喷