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喷管实验讲义

中国地质大学-热能教研室喷管实验

一、实验目的及要求
1、验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，牢固树立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念。
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）、压差及流量的方法。
3、重要概念1的理解：应明确在渐缩喷管中，其出口处的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的理解：应明确在缩放喷管中，其出口处的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、应对喷管中气流的实际复杂过程有所了解，能定性解释激波产生的原因。
二、实验装置
整个实验装置包括实验台、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ф57×3.5无缝钢管，内径φ50。.空气吸气口（2）进入进气管，流过孔板流量计（3）。孔板孔径φ7，采用角接环室取压。流量的大小可从U形管压差计（4）或微压传感器读出。（5）喷管用有机玻璃制成。配给渐缩喷管和缩放喷管各一只，见图2、3。根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左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入喷管内的测压探压针（7）（外径φ1.2）连至“可移动真空表”（8）测得，它们的移动通过螺杆机构移动，标尺或位移传感器（9）实现。由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（φ0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，也可从装在“可移动真空表”下方的针在“喷管轴向坐标板”（在图中未画出）上所指的位置来确定。喷管的排气管上还装有“背压真空表”背压用调节阀（11）调节。真空罐（12）直径φ400，体积0.118m3。起稳定压的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。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，即测压孔在喷管内的不同截面位置x、气流在该截面上的压力p、背压pb、流量m，这些量可分别用位移指针的位置、可移动真空表、背压真空表以及U形管压差计的读数来显示。
本实验台配套的仪器设备选型如下：
真空泵：1401型排气量3200升/分
用途和特点
本实验台主要用于《工程热力学》教学中“喷管临界状态的观察”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的压力变化。
2．可在各种不同工况下（初压不变，改变背压），观察压力曲线的变化和流量的变化，从中着重观察临界压力和最大流量现象。
3．除供定性观察外，还可作初步的定量实验。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，适用的流量范围宽，可从流量接近为零到喷管的最大流量，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，功耗和噪声较小，试验气流不受压缩机械的污染等优点。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的渐缩、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他各种流道喷管和扩压管的实验。
三、实验原理
1、喷管中气流的基本规律
（1）由能量方程：

及
可得(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：
常数
有
及过程方程常数
有
根据
马赫数，而
得：(2)
显然，当来流速度时，喷管应为渐缩型；当来流速度时，喷管应为渐扩型。
2、气流动的临界概念
喷管气流的特征是，，，三者之间互相制约。当某一截面的流速达到当地音速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（）。临界压力与喷管初压（）之比称为临界压力比，有：

经推导可得：(3)
对于空气，
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，通过喷管的气体流量便达到了最大值（），或称为临界流量。可由下式确定：
(4)
式中：
—最小截面积（对于渐缩喷管即为出口
处的流道截面积；对于缩放喷管即为喉部处的流道截面积。本实验台的二种最小截面积为：12.56mm2）。
3、气体在喷管中的流动图二渐缩喷管
（1）渐缩喷管
渐缩喷管因受几何条件的限制，由式（2）可知：气体流速只能等于或低于音速（）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（）。根据不同的背压（），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