实验三：喷管流动特性的测定

10试验三喷管流动特性的测定一、实验目的和任务1．目的：巩固和验证有关喷管基本理论，熟悉喷管的机理，掌握气流在喷管中流速、流量、压力变化的规律及有关测试方法。2．任务：对缩放喷管进行下列测定：（1）测定不同工况（初压p1不变，改变背压pb）时期流在喷管中的流量qm；绘制qm-pb曲线；比较最大流量qm,max的计算值和实验值；确定临界压力pcr。（2）测定不同工况时气流沿喷管各截面（轴线位置X）的压力p的变化；绘制出一组p-X曲线；分别比较临界压力pcr的计算值与实验值；观察和记录pcr出现在喷管中的位置。（3）通过电测装置，在X-Y记录仪上绘制出qm-pb曲线和p-X曲线。二、实验原理1．在稳定流动中，任何界面上质量流量都相等，且不随时间变化，流量大小可由下式确定：])()[(12112212112222kkkfmppppvpkkAvcAq（1）式中：k—比热比（绝热指数，k=cp/cv）A2—出口截面积（m2）v—气体比容（m3/kg）p—压力（Pa）角注号：1指喷管入口，2指喷管出口。若降低背压，使缩放喷管的喉部压力p降至临界压力时，喷管中的流量达最大值：11111112max,10404.0685.01212TpAvpAvpkkkAqcrcrkcrm（2）临界压力pcr的大小为：111528.0)1ppkpkkcr2（　（3）喷管中的流量qm一旦到达最大值，再降低背压pb，流量qm保持不变，流量qm随背压pb的变化关系如图1所示，缩放喷管与渐缩喷管的不同点是，流量达到最大值时的最高背压pb不再是pcr，而应是某一压力pf。2．沿喷管轴线X各截面的压力p，在喷管形状和工质的初态及背压一定时，可根据连续性方程和状态方程计算而得，也可用实验方法测得如图2所示的图形。图2所示的一组曲线表示在不同的背压pb下，缩放喷管内各截面上压力p的变化情况。当pb＜pd，气流在管内膨胀不足，只能在管外继续膨胀。当pb=pd，气流在管内得到完全膨胀，出口压力与背压pb一致，称为设计工况。相应地，称pb＜pd为超设计工况，pb＞pd为亚设计工况，亚设计工况又可分为几种工况，当pd＜pb≤pe，气流在管内膨胀过度，出口压力仍为pd，但随即在出口产生斜激波（pb＜pe＝或正激波（pb=pe），11使压力由pd升高至pb，当pe＜pb≤pf，正激波由管口移到了管内，pb越高，越往前移。通过正激波压力跃升，气流由超音速变为亚音速，然后沿扩大段扩压减速流至出口，压力等于背压pb，对于上述pb≤pf诸工况，喉部始终保持临界状态。当pb＞pf，整个喷管内都是亚音速气流。喉部不再是临界状态，缩放喷管成为文丘利管（渐缩管）。注：pf、pd、pe请看图2。图1缩放喷管流量曲线（p1=0.1MPa，t1=20℃）12图2缩放喷管压力曲线三、实验装置图3实验装置图13实验装置由实验台本体、真空泵、电测仪器三大部分组成。实验台本体结构如图3所示，空气自吸气口2进入气管1，流过孔扳流量计3，流量的大小可以从U型管压差计4读出，该管5用有机玻璃制成，缩放形式如图4所示，根据实验要求，可松开夹持法兰上的螺栓，向左推开进气管的三轮支架6，变换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探针7连至可移动标准真空表8测得，它们的移动通过手轮螺杆机构9实现。在喷管后的排气管上还装有背压真空表10、真空罐12，起稳定背压的作用，罐内的真空度通过背压调节阀11来调节，为减少振动，真空罐与真空泵之间用软管连接。真空泵是1401型，排气量为3200升/分。图4缩放喷管电测仪器包括：负压传感器，压差传感器，位移电位器，直流稳压电源，函数记录仪等。负压传感器、压差传感器、位移电位器分别将可移真空表、U型管压差计、测压探针在该管内不同截面上的压力转换为电讯号输入记录仪，真接绘出实验曲线，以上电测仪器均由直流稳压电源供电。四、实验步骤1.装好喷管。2.对真空泵作开车前检查（检查传动系统、油路、水路）。检查无问题后打开背压调节阀，用手转动真空泵飞轮一周，去掉气缸中过量的油，开启电动机，当达到正常转速后可开始实验。3.将测压探针上的测压孔移至喷管出口之外一段距离之后保持不动，此时p2=pb，改变调节阀开度，调节背压pb自p1开始逐渐降低，记录在不同pb下的孔板压差△p值，以备计算流量及绘制qm-pb曲线，实验时注意记下△p开始达到最大值的pb，以求得pcr及pf值。4．调节不同的pb，摇动手轮，使X自喷管进口逐步移至出口外一段距离，记录不同X值下的p值，以测定不同工况下的p-X曲线。5．接通电测仪器，分别记录qm-pb曲线和p-X曲线。6．停车。7．认真做好原始记录。14（1）设备数据记录：设备名称、型号、规格等。（2）常规数据记录：当地大气压力、室温、实验环境状况。（3）技术数据及绘制的图形等记入附表内。五、实验数据整理1．因进气管中气流速度很低，在最大流量时，其数量级是1m/s所以可以近似认为初压p1和初温t1即是气流的总压和总温。初温t1等于大气温度ta，初压p1略低于大气压pa，可按下式计算10.97appp2．孔板流量计流量的计算公式为：pqm410373.1（kg/s）式中△p——U型压差计读数（mmH2O）ε——流速膨胀系数app210873.21β——气态修正系数273538.0aatpγ——几何修正系数（需标定，本试验条件下γ=1）pa—大气压力（Pa）ta—大气温度（℃）图5为孔板流量计的310mq关系曲线。六、实验报告1.简述实验原理与过程。2.各种数据的原理记录。3.实验结果整理后的数据，包括最大流量qm,max、临界压力pcr，以及qm-pb曲线、p-X曲线，分析实验值与计算值，分析测定曲线与函数记录仪绘制曲线异同点及其产生原因。注：表1、2中的曲线用方格纸绘制，记录仪绘制曲线另附页。15图5孔板流量计310mq—Δp关系曲线310mq16喷管实验记录（一）室温t=当时当地气压p=表1喷管型式主要参数喷管入口压力p1喷管背压pb喷管流量真空度（Pa）绝对压力（Pa）真空度（Pa）绝对压力（Pa）喷管压差△p（mmH2O）m（kg/s）测定的流量背压曲线临界压力pc（Pa）计算值最大流量mmax（kg/s）计算值实验值实验值kg/sp2/p17喷管实验记录（二）表2喷管型式喷管截面至入口距离X（mm）截面压力（Pa）pb＜pcpb=pcpbpc入口051015202530出口354045测定的压力截面距离曲线实验情况分析：p(105Pa)X(mm)