实验一 喷管特性实验
1、实验内容
1.1 测定不同工況（初压p1不变，改变背压pb）时气流在喷管中的流量qm，绘制qm?pb曲线，比较最大流量qmmax的计算值和实测值，确定临界压力pc。
1.2 测定不同工况下气流沿喷管各截面（喷管轴线位置x）压力p的变化，绘制出一组
p?x曲线，分析比较临界压力pc的计算值和实验值，观察和记录临界压力出现在喷
管中的位置。
2、实验要求
2.1 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。
2.2 比较熟练地掌握用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法。
2.3 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
速不可能高于声速，流量不可能大于最大流量。
2.4 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
可高于声速，而流量不可能大于最大流量。
3、实验仪器与设备
本系统由实验台本体、真空泵、数据采集系统（电测仪器、传感器集线盒、采集与程控机箱）计算机等组成。其中传感器集线盒、采集与程控机箱、计算机并口由计算机打印共享线连接。
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。（2）空气自吸气口进入进气管，流过孔板流量计。（3）孔板孔径ф7，采用角接环室取压。（4）U形管压差计，流量的大小可从U形管压差计读出。（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、图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” （10），背压用调节阀（11）调节。真空罐（12）直径ф400，体积0.118m，起稳定背压的作用。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，即测压孔在喷管内不同截面的位置x、气流在该截面上的压力p、背压pb、流量qm，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
电测仪器包括负压传感器、压差传感器、位移传感器，它们分别将可移动式真空表、U型管压差计、测压探针在喷管内不同截面上的压力转换为电讯号输入传感器集线盒，然后在计算机上直接得出实验曲线。
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
4、实验准备
学生应预先阅读并掌握以下实验原理： 4.1喷管中气流的基本规律 1）由能量方程：
?q?dh?dcf2
及 ?q?dh??dp
可得 ??dp?cfdcf (1) 可见 ，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降。
122）由连续性方程：
A1?cf1?1?A2?cf2?2????????A?cf??常数
dAd?dcf有 ??A?cf及过程方程
p?k?常数
kd???dp p有
?根据 ??dp?cfdcf 马赫数M?cfc ，而c?kp?
dcfdA2得： (2) ?(Ma?1)Acf显然，当来流速度 Ma?1 时，喷管应为渐缩型(dA?0)；当来流速度 Ma?1 时，喷管应为渐放型(dA?0)。
本实验所涉及的喷管结构分别如图2、图3所示。
图2 渐缩喷管 图3 缩放喷管 4.2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声速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（pc）。临界压力与喷管初压（p1）之比称为临界压力比，有：
??pc p1kk?1经推导可得： 对于空气，??0.528
????2???k?1? (3)
当渐缩喷管出口处气流速度达到声速，或缩放喷管喉部气流速度达到声速时，通过喷管的气体流量便达到了最大值（qmmax），或称为临界流量。可由下式确定：
2k?1qmmax?Amin式中：
2k?2???k?1?k?1??p1?1 (4)
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。本实验台的两种最小流道截面积均为19.625 mm2。 4.3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声速（cf?c）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（p2?pc）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（qmmax）。根据不同的背压（pb）， 渐缩喷管可分为三种工况，如图4 、图5所示：
A—亚临界工况（pb?pc），此时qm B—临界工况（pb?pc），此时qm=qmmax p2?pb?pc C—超临界工况（pb?pc），此时qm=qmmax p2?pc?pb 图中虚线表示理想气流，实线表示实际气流。由于气流有粘性摩擦，在壁面附近形成边界层。随着流程x的延长，边界层厚度加厚，减小了实际流通面积。所以，实际流量总是小于理论流量。同时，边界层的存在还使管内气体压力的分布发生一些变化。