实验12 空气在喷管中流动特性的测定
一、实验目的
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、实验原理
1、喷管中气流的基本规律
（1）截面积不变，改变进出口的压差——力学条件
dcfdp ???Ma2pcf可见，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降；如压力升高，则流速必降低。
（2）固定压差，改变进出口截面面积——几何条件
cfdcfdA2 Ma? ?(Ma?1)cAcf当Ma?1（亚声速流动）时，要想增加流速，喷管应为渐缩型(dA?0)； 当Ma?1（超声速流动）时，要想增加流速，喷管应为渐扩型(dA?0)； 对于气流有亚声速连续增加至超声速时，喷管要做成渐缩渐扩型（缩放喷管） 2、气体流动的临界概念
喷管气流的特征是dp?0，dcf?0，d??0，三者之间互相制约。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（pcr）。临界压力与喷管初压（p0）之比称为临界压力比，有：
?cr?pcr p01
经推导可得： ?cr??对于空气，?cr?0.528
?2???k?1?kk?1 (3)
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（qm,max），或称为临界流量。可由下式确定：
2k?1qm,max?Amin2k?2???k?1?k?1?p0?0 (4)
式中：Amin—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）。
3、气体在喷管中的流动 （1）渐缩喷管
渐缩喷管因受几何条件(dA?0)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（p2?pcr）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（qm,max）。根据不同的背压（pb）， 渐缩喷管可分为三种工况： A—亚临界工况（pb?pcr），此时q?qm,max，p2?pb?pcr B—临界工况（pb?pcr），此时q?qm,max，p2?pb?pcr C—超临界工况（pb?pcr），此时q?qm,max，p2?pcr?pb
?1??A2p2kkk流量：qm?2p0v0?1?()? v2k?1p0??（2）缩放喷管
缩放管的喉部dA?0，因此气流可以达到音速；渐扩段（dA?0），出口截面的流速可超音速,但因喉部几何尺寸的限制， 其流量的最大值仍为最大流量qm,max。
缩放喷管随工作背压不同，亦可分为三种情况：
A—背压等于原出口截面设计压力（pb?p2）时，称为设计工况。此时气流在喷管中能完全膨胀，出口截面的压力与背压相等（p2?pb），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。
2
B—背压低于原出口截面设计压力（pb?p2）时，气流在喷管内仍膨胀到设计压力。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，流量仍为最大流量。
C—背压高于原出口截面设计压力（pb?p2）时，气流在喷管内膨胀过渡，其压力低于背压，以至于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。激波产生的位置随着背压的升高而向喷管入口方向移动，激波在未达到喉部之前，其喉部的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，其流量低于最大流量。
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. 手轮螺杆机构 10. 背压真空表 11. 背压用调节阀12. 真空罐13. 软管接头
三、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。
进气管（1）为ф57×3.5无缝钢管，内径ф50。.空气吸气口（2）进入进气管，流过孔板流量计（3）。孔板孔径ф7，采用角接环室取压。流量的大小可从U形管压差计（4）读出。喷管（5）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ф1.2）连至“可移动真空表”（8）测得，它们的移动通过手轮～螺杆机构（9）实现。由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（ф0.5）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ф400，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。
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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
四、实验方法及步骤
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。
五、实验数据整理
1. 数据记录
（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）根据实测内容自行设计数据记录表格 2. 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p0和初温t0
即是气流的总压和总温。初温t0等于大气温度ta，初压p0略低于大气压pa，可按下式计算 p0?p?pa?0.97式中 △p—— U型压差计读数（mmH2O）
(2) 本实验装置采用的是负压系统，表上读数均为真空，需要换算成绝对压力值：
p?pa?p?
(3) 喷管实际流量测定 六、实验报告要求
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。
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实验13 饱和蒸汽P-T关系测定
一、实验目的
1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而树立液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念。
2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽 P—T关系图表的编制方法。 3、绘制pt关系曲线。
4、整理经验公式t?cpn
二、实验原理
蒸汽是一种实际气体，处于离液体不远的状态。在一定的空间内，对应于某一定的饱和温度必有一定的饱和压力，两者互为依变数，即ps?f?ts?。两者平衡时的蒸汽称为饱和蒸汽，这时的液体称为饱和液体。对于不同的工质具有不同的ps?f?ts?关系，饱和蒸汽压力和饱和温度的关系可以通过实验测定。本实验根据这一原理来测定水蒸汽压力和温度的关系。
三、实验装置
1、压力表（－0.1～0～1.5Ma） 2、排气阀 3、缓冲器 4、可视玻璃及蒸汽发生器 5、电源开关 6、电功率调节
7、温度计（100～250℃） 8、可控数显温度仪 9、电流表
四、实验方法及步骤
1、熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能。 2、将电功率调节器调节至电流表零位，然后接通电源。
3、调节电功率调节器，并缓慢逐渐加大电流，待蒸汽压力升至一定值时，将电流降低0.2安培左右保温，待工况稳定后迅速记录下水蒸气的压力和温度。重复上述实验，在0～1.0MPa（表压）范围
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