内容发布更新时间 : 2024/11/15 5:54:31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。