喷管实验讲义.pdf

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1、 喷管实验讲义 中国地质大学-热能教研室 喷管实验 一、实验目得及要求 1、验证并进一步加深对喷管中气流基本规律得理解,牢固树立临界压力、临界流速与最大流量等喷管临界参数得概念。2、比较熟练地掌握用常规、计算机数据采集仪表测量压力(负压)、压差及流量得方法。3、重要概念 1 得理解:应明确在渐缩喷管中,其出口处得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。4、重要概念 2 得理解:应明确在缩放喷管中,其出口处得压力可以低于临界压力,流速可高于音速,而流量不可能大于最大流量。5、应对喷管中气流得实际复杂过程有所了解,能定性解释激波产生得原因。二、实验装置 整个实验装置包括

2、实验台、真空泵。实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成,见图 1。图 1 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、三轮支架 7、测压探压针 8、可移动真空表 9、位移螺杆机构及位移传感器 10、背压真空表 11、背压用调节阀 12、真空罐 13、软管接头 14、仪表箱 15、差压传感器 16、被压传感器 17、移动压力传感器 进气管(1)为573、5 无缝钢管,内径50。、空气吸气口(2)进入进气管,流过孔板流量计(3)。孔板孔径7,采用角接环室取压。流量得大小可从 U 形管压差计(4)或微压传

3、感器读出。(5)喷管 用有机玻璃制成。配给渐缩喷管与缩放喷管各一只,见图 2、3。根据实验得要求,可松开夹持法兰上得固紧螺丝,向左推开进气管得三轮支架(6),更换所需得喷管。喷管各截面上得压力就是由插入喷管内得测压探压针(7)(外径1、2)连至“可移动真空表”(8)测得,它们得移动通过螺杆机构移动,标尺或位移传感器(9)实现。由于喷管就是透明得,测压探针上得测压孔(0、5)在喷管内得位置可从喷管外部瞧出,也可从装在“可移动真空表”下方得针在“喷管轴向坐标板”(在图中未画出)上所指得位置来确定。喷管得排气管上还装有“背压真空表”背压用调节阀(11)调节。真空罐(12)直径400,体积 0、118

4、m3。起稳定压得作用。罐得底部有排污口,供必要时排除积水与污物之用。为减小震动,真空罐与真空泵之间用软管(13)连接。在实验中必须测量四个变量,即测压孔在喷管内得不同截面位置 x、气流在该截面上得压力 p、背压 pb、流量 m,这些量可分别用位移指针得位置、可移动真空表、背压真空表以及 U 形管压差计得读数来显示。本实验台配套得仪器设备选型如下:真空泵:1401 型 排气量 3200 升/分 用途与特点 本实验台主要用于工程热力学教学中“喷管临界状态得观察”实验。1.可方便地装上渐缩喷管或缩放喷管,观察气流沿喷管各截面得压力变化。2.可在各种不同工况下(初压不变,改变背压),观察压力曲线得变化

5、与流量得变化,从中着重观察临界压力与最大流量现象。3.除供定性观察外,还可作初步得定量实验。压力测量采用精密真空表,精度0、4 级。流量测量采用低雷诺数锥形孔板流量计,适用得流量范围宽,可从流量接近为零到喷管得最大流量,精度优于 2 级。4.采用真空泵为动力,大气为气源。具有初压初温稳定,操作安全,功耗与噪声较小,试验气流不受压缩机械得污染等优点。喷管用有机玻璃制作,形象直观。5.采用一台真空泵,可同时带两台实验台对配给得渐缩、缩放喷管做全工况观测。因装卸喷管方便,本实验台还可用作其她各种流道喷管与扩压管得实验。三、实验原理 1、喷管中气流得基本规律(1)由能量方程:221dcdhdq 及 d

6、pdhdq 可得 cdcdp (1)可见,当气体流经喷管速度增加时,压力必然下降。(2)由连续性方程:cAcAcA222111常数 有 cdcdAdA 及过程方程 kp常数 有 pdpkd 根据 cdcdp 马赫数acM ,而kpa 得:cdcMAdA)1(2 (2)显然,当来流速度 1M 时,喷管应为渐缩型)0(dA;当来流速度 1M 时,喷管应为渐扩型)0(dA。2、气流动得临界概念 喷管气流得特征就是0dp,0dc,0d,三者之间互相制约。当某一截面得流速达到当地音速(亦称临界速度)时,该截面上得压力称为临界压力(cp)。临界压力与喷管初压(1p)之比称为临界压力比,有:1ppc 经推导

7、可得:112kkk (3)对于空气,528.0 当渐缩喷管出口处气流速度达到音速,或缩放喷管喉部气流速度达到音速时,通过喷管得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:1112minmax1212pkkkAmk (4)式中:minA最小截面积(对于渐缩喷管即为出口 处得流道截面积;对于缩放喷管即为喉部处得流道截面积。本实验台得二种最小截面积为:12、56 mm2)。3、气体在喷管中得流动 图二 渐缩喷管(1)渐缩喷管 渐缩喷管因受几何条件)0(dA得限制,由式(2)可知:气体流速只能等于或低于音速(aC);出口截面得压力只能高于或等于临界压力(cpp 2);通过喷管得流

8、量只能等于或小于最大流量(maxm)。根 据不同得背压(bp),渐缩喷管可分为三种工况,如图三所示:图 3 渐缩喷管压力分布曲线及流量曲线 A亚临界工况(cbpp),此时 mmaxm cbppp2 B临界工况(cbpp),此时 m=maxm cbppp2 C超临界工况(cbpp),此时 m=maxm bcppp2(2)缩放喷管 缩放管得喉部0dA,因此气流可以达到音速(aC);扩大段(0dA),出口截面得流速可超音速(aC),其压力可小于临界 压 力(cpp 2),但 因 喉 部 几 何 尺 寸 得 限 制,图四 缩放喷管其流量得最大值仍为最大流量(maxm)。气流在扩大段能做完全膨胀,这时出

9、口截面出得压力成为设计压力(dp)。缩放喷管随工作背压不同,亦可分为三种情况:A背压等于设计背压(dbpp)时,称为设计工况。此时气流在喷管中能完全膨胀,出口截面得压力与背压相等(dbppp2),见图五中得曲线A。在喷管喉部,压力达到临界压力,速度达到音速。在扩大段转入超音速流动,流量达到最大流量。图五 缩放喷管压力分布曲线及流量曲线 B被压低于设计背压(dbpp)时,气流在喷管内仍按曲线 A 那样膨胀到设计压力。当气流一离开出口截面便与周围介质汇合,其压力立即降至实际背压值,如图五曲线 B 所示,流量仍为最大流量。C被压高于设计被压(dbpp)时,气流在喷管内膨胀过渡,其压力低于背压,以至于

10、气流在未达到出口截面处便被压缩,导致压力突然升跃(即产生激波),在出口截面处,其压力达到背压。如图五中得曲线 C 所示。激波产生得位置随着背压得升高而向喷管入口方向移动,激波在未达到喉部之前,其喉部得压力仍保持临界压力,流量仍为最大流量。当背压升高到某一值时,将脱离临界状态,缩放管便与文丘里管得特性相同了,其流量低于最大流量。四、操作步骤(计算机接口及操作见软件使用说明)1、装上所需得喷管,用“坐标校准器”调好“位移坐标板”得基准位置。2、打开罐前得调节阀,将真空泵得飞轮盘车一至二圈。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:(1)、用罐前调节阀调节背压

11、至一定值(见真空表读数),并记录下该值。(2)、转动手轮,使测压探针向出口方向移动。每移动一定距离(一般约 2-3mm)便停顿下来,记录该点得坐标位置及相应得压力值,一直测至喷管出口之外。把各个点描绘到坐标纸上,便得到一条在这一背压下喷管得压力分布曲线。(3)、若要做若干条压力分布曲线,只要改变其背压值并重复(1)、(2)步骤即可。4、流量曲线得测绘(1)、把测压探针得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。(2)、用罐前调节阀调节背压,每一次改变 2030mmHg 柱,稳定后记录背压值与 U型管差压计得读数。当背压升高(真空度升高,绝对压力下降)到某一值时,U 型

12、管差压计得液柱便不再变化(即流量已达到了最大值)。此后尽管不断提高背压,但 U 型管差压计得液柱仍保持不变,这时测 23 点。至此,流量测量即可完成。渐缩喷管与缩放喷管得流量曲线参见图 2 与图 3。5、实验结束后得设备操作 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(目得就是防止回油)。最后关闭冷却水阀门。五、数据处理 1、压力值得确定(1)、本实验装置采用得就是负压系统,表上读数均为真空度,为此须换算成绝对压力值(p):)(vappp (5)式中:ap大气压力(mmbar);)(vp用真空度表示得压力。(2)、由于喷管前装有孔板流量计

13、,气流有压力损失。本实验装置得压力损失为 U型管差压计读数(p)得 97%。因此,喷管入口压力为:pppa97.01 (6)(3)、由式(5)、(6)可得到临界压力158.0ppc,在真空表上得读数(即用真空度表示)为:pppavc51.00472.0)(7)计算时,式中各项必须用相同得压力单位。(大致判断,)(vcp约为 380mmHg 柱)。2、喷管实际流量测定 由于管内气流得摩擦而形成边界层,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:pm410373.1 (kg/s)式中:流速膨胀系数;app210873.21 气态修正系数;273538.aatpo 几何修正系数(约等于 1、0);pU 型管差压计得读数(mmH2O);at室温();ap大气压力(mbar)。