热工学实验 下载本文

内容发布更新时间 : 2024/12/25 1:25:56星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

实验十 渐缩(缩放)喷管内压力分布和流量测定

一、实验目的

1.验证并加深对喷管中的气流基本规律的理解,树立临界压力,临界流速,最大流量等喷管临界参数的概念,把理性认识和感性认识结合起来。 2.对喷管中气流的实际复杂过程有概略的了解。

3.通过渐缩喷管气流特性的观测,要明确:在渐缩喷管中压力不可能低于临界压力,流速不可能高于音速,流量仍不能大于最大流量。

4.根据实验条件,计算喷管(最大)流量的理论值,并与实侧值进行对比。 二、实验设备

本设备由2x型真空泵,PG-Ⅲ型喷管(见图10-1)和计算机(控制与显示设备)构成。由于真空泵的抽吸,空气自吸气口2进入进气管1,流过孔板流量计3,流量的大小可以从U型管压差计4读出。喷管5用有机玻璃制成,有渐缩、缩放两种型式(见图10-2、10-3),可根据实验要求,松开夹持法兰上的螺丝,向右推开进气管的三轮支架6,更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插在其中,外径0.2mm的测压探针连至可移动真空表8测得,探针的顶封死,中段开有测压小孔,摇动手轮——螺杆机构9,即可移动探针,从而改变测压小孔在喷管中的位置,实现对喷管不同截面的压力测量。在喷管的排气管上装有背压真空表10,排气管的下方为真空罐12,起稳定背压的作用,背压的高低用调节阀11调节。罐前的调节阀用作急速调节,罐后的调节阀作缓慢调节,为减少震动,真空罐与真空泵之间用软管13连接。

在实验中必须观测四个变量:(1)测压孔所在截面至喷管进口的距离x;(2)气流在该截面上压力P;(3)背压Pb;(4)流量m。这些变量除可分别用位移指针的位置、移动真空表,背压真空表及 U形管压差计的读数来显示读出外,还可分别用位移电位器、负压传感器、压差传感器把它们转换为电信号,由计算机显示并绘出实验曲线。位移电位器将在螺杆之旁,它实际上是一只滑杆变阻器。负压传感器和压差传感器分别装在真空表和U形管压差计附近,其内部结构为一直流电桥,压力和压差改变时将改变电桥中两臂的电阻,从而获得电桥的不平衡电压输出。为了使这些传感器可靠而稳定地工作,都由直流稳压电源供电。 三、实验原理

1.喷管中气流的基本规律

气流在喷管中稳定流动后,喷管任何截面上的质量流量m均相等,有连续性方程:

M=

AC??A1C1?1?A2C2?2=定值,[kg/s] (10-1)

式中:A—— 截面积[m2]

C —— 气体流速[m/ s] ? —— 气体比容[m3/kg] 下标1—— 喷管进口

下标2——喷管出口

气体在喷管中作绝热膨胀,C1<C2,工质为理想流体时,喷管的理论流量可按下式计算:

m?A2C2?2?A22kp1p2kp?[()?(2)k?1?1p1p12k?1k]

(10-2)

式中: k —— 绝热指数,对于空气k=1.4

P1 —— 喷管进口压力(初压) [N/ m2] P2 —— 喷管出口压力 [N/ m2]

喷管中气体状态参数P、?和流动参数C的变化规律和流通截面积A的变化以及喷管

前后的环境压力有密切关系,在某些条件下,气体在喷管中可能得到完全膨胀,在另一些条件下得不到完全膨胀,这样,喷管的出口截面压力P2有时等于,有时不等于喷管出口之外的环境压力 —— 背压Pb,为了了解其中关系,微分(10-1)式并作其他运算得:

2dAd?dca2-c ?-?2dp (10-3)

A?cckp式中:a —— 当地音速[m/ s]

显然,当来流速度M<1 时,喷管为渐缩喷管(dA<0); 当来流速度M>1时,喷管为缩放喷管(dA>0)。喷管中气流的特征是dp<0,dc>0,dv>0,其间有相互制约关系。当某一截面流速C达到音速a(又称临界速度)时,该截面上的压力称为临界压力P,临界压力与喷管初压之比Pc/P1称为临界压力比,经计算:

2Pc=

P1(k?1)kk?1 (10-4)

对于空气Pc/P1=0.528 2.气体在喷管中的流动状况 (1)渐缩喷管

渐缩喷管因受几何条件dA<0的限制,分析(10-3)式可知,流速不可能高于音速,这样根据背压的不同,渐缩喷管可分为三种不同工况。 ① 临界工况 Pb=Pc=P2

② 超临界工况 Pc=P2 > Pb (参看图10-4) ③ 亚临界工况 Pb=P2>Pc

当渐缩喷管出口处气体速度达到音速时,或缩放喷管喉部气体速度达到音速时,通过喷管的气流流量便达到了最大值mmax(临界流量),可用下式表示:

mmax?Amin2k2k-1p1?()? (10-5) k?1k?1?12式中Amin指渐缩喷管的最小截面积,即出口截面积A2,对于本实验台渐缩喷管,其算得值为Amin??4(42-1.22)?11.44[mm2]。

(2)缩放喷管

缩放喷管由于几何条件满足,喉部dA=0,流速可达到音速a, 即c=a,扩大段dA>0,流速可超过音速,即c>a,压力可低于临界压力,P<Pc,但其缩小段受到最大流量的限制,作为一个整体,缩放喷管同样受这个限制。只要喉部达到临界状态,流量即可按(10-5)式计算,式中Amin为喉部截面积,对于本实验台缩放喷管喉部截面积其标称值也是11.44[mm2]。此外,在缩放喷管中,气流在扩大段能做完全膨胀,这时出口截面的出口压力成为设计压力(Pd)。根据背压的不同,亦可分为三种情况:

① 设计工况 P2= Pb= Pd

② 非设计工况 Pb < Pd ③ 非设计工况 Pb>Pd

对于空气Pd/P1=0.138 四、实验内容及要求

1.渐缩和缩放喷管各选二种工况,按实验步骤和表10-1、表10-2要求记录实验数据,

通过计算,绘制压力分布曲线图。(参考图10-4、图10-6)

2.渐缩和缩放喷管各做一次流量与背压Pb的关系测量,按表10-3、表10-4要求记录实验数据,通过计算绘制流量与背压的关系曲线。(参考图10-5、图10-7)

3.用计算机测控系统对上述1、2实验内容进行校验。(操作过程请详见计算机测控系统操作说明) 五、实验步骤 1 .实验前的准备

用“坐标标准化器”调好“位移坐标板”的基础位置,然后装好要求实验的喷管,(操作要小心,不要碰坏测压探针)打开背压调节阀。检查真空泵的油位,打开冷却水,用手转动真空泵平衡轮1-2转,检查一切工作正常后,启动真空泵。 2. 测压力分布曲线

全开罐后调节阀,根据渐缩喷管和缩放喷管三种不同的工况,用罐前调节阀调节背压至一定值,摇动手轮(缓慢移动)将测压孔位置从喷管进口处开始,每间隔5mm(要求高时,每间隔3 mm)一停,记下真空表8读数,换算成绝对压力,一直移到出口之外一段距离(大约10mm),整理数据,绘制压力分布曲线图。 3.测流量变化曲线

全开罐后调节阀,把罐前调节阀全关闭,将测压孔移至喷管进口处( 根据实验要求),此时真空表8所测压力为P1,真空表10所测压力为背压Pb。把处于全关闭状态的罐前调节阀(调节背压)逐渐缓慢开启,随着背压Pb的降低(真空度升高),流量自0逐渐增大,背压每变化0.01真空度一停,记下真空表8、10读数和U形管差压计读数,当背压降至某一定值时流量达到最大流量mmax保护不变,整理数据,绘制流量分布曲线图。 4.实验结束

打开罐前调节阀,关闭罐后调节阀,让真空罐充气,关停真空泵,立即打开罐后调节阀,让真空泵充气,以防止回油,最后关冷却水。 六、实验要求

1.实验前,预习实验内容和有关知识并写预习报告。 2. 实验报告中,原始数据表格不可少,并要完整,清楚。