空气在喷管中流动性能测定实验
一、实验目的：
1、验证和加深理解喷管中气体流动的基本理论。
2、观察气流在喷管中各截面的流速，流量，压力变化规律及掌握有关测试方法。 3、熟悉不同形式喷管的机理，加深对流动的临界状态基本概念的理解。 二、实验原理：
1、喷管中气体流动的基本规律
气体在喷管中作一元稳定等熵流动中，压力降低，流速增加。气流速度C，密度ρ及压力P的变化与截面A的变化及马赫数Ma（速度与音速之比）的大小有关。它们的变化规律如下表：
Ma 渐缩管 dc dx<1 >1 >0 <0 dA?0 dxd?dp dxdx<0 >0 Ma 渐扩管 dc dx<1 >1 <0 >0 dA?0 dxd?dp dxdx>0 <0 dA?0（1）在亚音速（Ma<1）等熵流动中，气体在dx的管道（渐缩管）里，速度C增加，而密dA?0?dx度，压力P降低，在的管道（渐扩管）里，速度C减小，而密度ρ，压力P增大。
（2）在超音速（Ma>1）等熵流动中，气体在渐缩管中，速度C减小，而压力P，密度ρ增大，在渐扩管中，速度C增加，压力P，密度ρ降低。
（3）在Ma=1，即达到临界流动状态，此时，压力为临界压力，气流速度为音速。 2、喷管中流量的计算 （1）理论流量：
根据气体一元稳定等熵流动中，任何截面上质量流量都相等，且不随时间变化。流量大小由连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体方程，等熵过程方程，得到气体在喷管中流量的计算式：
2?0PACqm?22?A2?1V2?0?1V1?0?1?P?2?P?0220?()?()? （kg/s）
P??11?P?式中：
?0—绝热指数
C2—出口速度m/s A2—出口截面积m2
V2—出口比体积（m3/kg） P2—出口压力（MPa） P1—进口压力（MPa） V1—进口比体积（m3/kg）
若：P1=P2时 qm?0 P2=0时 qm?0，即在0＜P2≤Pc渐缩喷管的出口压力P2或缩放喷管的喉部压力Pth降至临界压力时，喷管中的流量达最大值，计算式如下：
qm,max?Amin2?02k?1P1()??0?1?0?1V1?02
2?0?1Pc?()?P1?0?1临界压力Pc为：将?0=1.4代入Pc=0.528P1
（2）、实测流量
由于气流与管内壁间的摩擦产生的边界层，减少了流动截面，因为实际流量是小于理论流量，本实验台采用孔板流量计来测量喷管的流量。孔板流量计上所示的压差△P（U型管上读出或传感器测试）。质量流量qm与压差△P的关系式为：
qm?1.373?10?4?P?????? （kg/s）
式中：?——流量膨账系数,
??1?1.373?10?4?Pata?273.15?PPa
?——气态修正系数,
??0.0538
?——几何修正系数,（标定值）按1.0计算。
△P——U型管压差计读数（mm.H2O） Pa——大气压 ta——室温℃
为了消除进口压力P1改变的影响，在绘制各种曲线时采用压力比做座标，绘制出压力曲线Px /P1——X和流量曲线
qm——Pb/P1
由于实验台采用的是真空表测压、因此临界压力Pc在真空表上的读数 P′c为
Pc??Pa?Pc?Pa?0.528P1
由于孔板流量计的压降和空气在喷管进口的气流滞止现象，喷管进口压力为：
P1?Pa?0.97?P
?P以汞柱为单位时的孔板流量计压差
1
?HH2O(mmHg)13.59
三、实验装置
?P?实验装置总图如图1所示。主要由真空泵和喷管实验台主体组成。各部件作用及测量过程如下：
图1 实验台总图
由于真空泵的抽吸，空气由进气2口进入吸气管1（φ57×3.5的无缝钢管）中，经过孔板流量计3（φ7）进入喷管。流量的大小可由U形管压差计4上读出。喷管5用有机玻璃制成。备有渐缩喷管与缩放喷管两种型式，如图2、图3所示。可根据实验要求，松开夹持法兰上的螺丝向左推开三轮支架6，更换所需要的喷管。喷管各截面上的压力，可从可移动的真空表8上读出，真空表8与内径为φ1.2的测压探针7相连。探针的顶端封死，在其中段开有径向测压小孔通过摇动手轮螺杆机构9，可使探针7沿喷管轴线左右移动，从而改变测压孔的位置，进行喷管中不同截面上压力的测量。
测压孔的位置，可以由位于可移动真空表8下方的指针，在座标板上所指出的x值来确定。
2
喷管的排气管上还装有背压Pb真空表10。背压由调节阀11调节。真空罐12前的调节阀11用于急速调节。
图2 渐缩喷管 图3 缩放喷管
直径为φ400的真空罐12是用于稳定背压Pb的作用。为了减少振动，泵与罐之间用软管13连接。
实验中需测量4个变量：（1）测压探针7上测压孔的水平位置x。（2）气流沿喷管轴线x截面上的压力Px；（3）背压Pb；（4）流量
qm。这4个变量可分别用位移指针的位置x，真空表8
上的读数P5。背压真空表10上的读数Pb，及U形管压差计4上的读数△P测得。特别需要注意的是P5和Pb是真空度，计算和绘制曲线时要换算成绝对压力。
四、实验步骤
1、用座标校准器调准“位移座标”的基准位置。然后小心地装上要求实验的喷管。（注意：不要碰坏测压探针）打开调压阀11。
2、检查真空泵的油位，打开冷却水阀门，用手轮转动飞轮1-2圈，检查一切正常后，启动真空泵。
3、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11′调节背压Pb至一定值。摇动手轮9使测压孔位置x自喷管进口缓慢向出移动。每隔5mm—停，记下真空表8上的读数（真空度）。这样将测得对应于某一背压下的一条Px/P1—X曲线。
4、再用罐前调节阀11′逐次调节背压Pb，为设定的背压值。得到一条在不同背压下的压力曲线Px/P1—X，（如图4，图6所示）。qm×103[xg/s]
3
图4 渐缩喷管压力曲线
5、摇动手轮9，使测压孔的位置x位于喷管出口外30-40mm处。此时 真空表8上的读数为背压Pb。
6、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11’调节背压Pb，使它由全关状态逐渐慢开启。随背压Pb降低（真空度升高），流量qm逐渐增大，当背压降至某一定值（渐缩喷管为Pc，缩放喷管为Pf）时，流量达到最大值qm,max，以后将不随Pb的降低而改变。
7、在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐调节阀11’，关闭罐后调节阀11，使罐内充报导。当关闭真空泵后，立即打开罐后调节阀11，使真空泵充气。以防止真空泵回油。最后关闭冷却水阀门。
实验中应认真做好原始数据记录（包括：室温ts，大气压Pa及实验日期）如发现实验结果出现较大误差，应仔细分析查找原因。
在整理时，由于各种实验曲线都是以压力比（Px/P1，Pb/P1）作座标，因此必须将压力换算为相同单位进行计算。
建议所有数据如下两种形式的表格中。 六、思考题（实验结果部分，结合图表回答）
4
1、渐缩喷管出口截面压力（ ）低于临界压力； 缩放喷管出口截面压力（ ）低于临界压力； (a)有可能 (b)不可能
2、当背压低于临界压力时 渐缩喷管内气体（ ）充分膨胀 渐放喷管内气体（ ）充分膨胀 (a)有可能 (b)不可能
3、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（ ）充分膨胀 (a)一定 (b)不一定
4、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（ ）临界压力 缩放喷管出口截面压力（ ）背压 渐缩喷管出口截面压力（ ）背压 当背压高于临界压力时，渐缩喷管出口截面压力（ ）背压 (a)高于 (b)低于 (c)等于 (d)等于或高于
5、当Pb/P1>0.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（ ） 流经缩放喷管的气体流速随背压降低而（ ）
当Pb/P1<0.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（ ） 流经渐缩喷管的气体流速随背压降低而（ ）
6、当Pb/P1等于多少时，流经渐缩喷管的流量最大？实测值和理论值有何差异？7、为什么Pb/P1<0.528时流经渐缩、缩放喷管的气体流量不随背压降低而增加？渐缩喷管流量测量原始记录及数据处理
??1 ??1 R?287 J/kg.k A2?1.256?10?5 m2
T? 背压 压差 进口压力 压力比 膨胀系数 Pbv Pb △H P1 Pb/P1 ? MPa MPa mmH2O MPa
5
编号：No1