噴管實(shí)驗(yàn)講義

1、噴管實(shí)驗(yàn)講義中國(guó)地質(zhì)大學(xué)-熱能教研室噴管實(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(guò)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)

2、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。 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57×3.5無(wú)縫鋼管，內(nèi)徑50。.空氣吸氣口（2）進(jìn)入進(jìn)氣管，流過(guò)孔板流量計(jì)（3）。孔板孔徑7，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

3、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1.2）連至“可移動(dòng)真空表”（8）測(cè)得，它們的移動(dòng)通過(guò)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（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(lái)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400，體積0.118m3。起穩(wěn)定壓的作用。罐的

4、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。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、氣流在該截面上的壓力p、背壓pb、流量m，這些量可分別用位移指針的位置、可移動(dòng)真空表、背壓真空表以及U形管壓差計(jì)的讀數(shù)來(lái)顯示。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。2可在各種不同工況下（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。

5、3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： 及 可得 (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：常數(shù)

6、 有 及過(guò)程方程 常數(shù) 有 根據(jù) 馬赫數(shù) ，而得： (2)顯然，當(dāng)來(lái)流速度 時(shí)，噴管應(yīng)為漸縮型；當(dāng)來(lái)流速度 時(shí)，噴管應(yīng)為漸擴(kuò)型。2、氣流動(dòng)的臨界概念噴管氣流的特征是，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（）。臨界壓力與噴管初壓（）之比稱為臨界壓力比，有：經(jīng)推導(dǎo)可得： (3)對(duì)于空氣，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(guò)噴管的氣體流量便達(dá)到了最大值（），或稱為臨界流量?？捎上率酱_定： (4)式中：最小截面積（對(duì)于漸縮噴管即為出口處的流道截面積；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

7、：12.56 mm2）。3、氣體在噴管中的流動(dòng) 圖二 漸縮噴管（1）漸縮噴管漸縮噴管因受幾何條件的限制，由式（2）可知：氣體流速只能等于或低于音速（）；出口截面的壓力只能高于或等于臨界壓力（）；通過(guò)噴管的流量只能等于或小于最大流量（）。根 據(jù)不同的背壓（）， 漸縮噴管可分為三種工況，如圖三所示： 圖3 漸縮噴管壓力分布曲線及流量曲線A亞臨界工況（），此時(shí)m< B臨界工況（），此時(shí) m= C超臨界工況（），此時(shí) m= （2）縮放噴管縮放管的喉部，因此氣流可以達(dá)到音速（）；擴(kuò)大段（），出口截面的流速可超音速(),其壓力可小于臨界壓力（），但因喉部幾何尺寸的限制， 圖四 縮放噴管其流量的最大值

8、仍為最大流量（）。 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（）?？s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（）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（），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)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。 圖五 縮放噴管壓力分布曲線及流量曲線B被壓低于設(shè)計(jì)背壓（）時(shí)，氣流在噴管內(nèi)仍按曲線A那樣膨脹到設(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（）時(shí)，氣流在噴管內(nèi)膨脹過(guò)渡，其壓力低于背壓，以

9、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(shuō)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

10、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(lái)，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，每一次改變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

11、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)23點(diǎn)。至此，流量測(cè)量即可完成。漸縮噴管和縮放噴管的流量曲線參見圖2和圖3 。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）： （5）式中： 大氣壓力（mmbar） ； 用真空度表示的壓力。（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)（）的97% 。因此，噴管入口壓力為： （6）（3）、由式（5）、（6）可得到臨界壓力，在真空表上的讀數(shù)（即用真空度表示