实验十 热工学实验

实验十 渐缩(缩放)喷管内压力分布和流量测定 一、实验目的

1．验证并加深对喷管中的气流基本规律的理解，树立临界压力，临界流速，最大流量等喷管临界参数的概念，把理性认识和感性认识结合起来。

2．对喷管中气流的实际复杂过程有概略的了解。

3．通过渐缩喷管气流特性的观测，要明确：在渐缩喷管中压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量仍不能大于最大流量。

4．根据实验条件，计算喷管（最大）流量的理论值，并与实侧值进行对比。 二、实验设备

本设备由2x型真空泵，PG－Ⅲ型喷管（见图10-1）和计算机（控制与显示设备）构成。由于真空泵的抽吸，空气自吸气口2进入进气管1，流过孔板流量计3，流量的大小可以从U型管压差计4读出。喷管5用有机玻璃制成，有渐缩、缩放两种型式（见图10-2、10-3），可根据实验要求，松开夹持法兰上的螺丝，向右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在其中，外径0.2mm的测压探针连至可移动真空表8测得，探针的顶封死，中段开有测压小孔，摇动手轮——螺杆机构9，即可移动探针，从而改变测压小孔在喷管中的位置，实现对喷管不同截面的压力测量。在喷管的排气管上装有背压真空表10，排气管的下方为真空罐12，起稳定背

压的作用，背压的高低用调节阀11调节。罐前的调节阀用作急速调节，罐后的调节阀作缓慢调节，为减少震动，真空罐与真空泵之间用软管13连接。

在实验中必须观测四个变量：（1）测压孔所在截面至喷管进口的距离x；（2）气流在该截面上压力P；（3）背压Pb；（4）流量m。这些变量除可分别用位移指针的位置、移动真空表，背压真空表及 U形管压差计的读数来显示读出外，还可分别用位移电位器、负压传感器、压差传感器把它们转换为电信号，由计算机显示并绘出实验曲线。位移电位器将在螺杆之旁，它实际上是一只滑杆变阻器。负压传感器和压差传感器分别装在真空表和U形管压差计附近，其内部结构为一直流电桥，压力和压差改变时将改变电桥中两臂的电阻，从而获得电桥的不平衡电压输出。为了使这些传感器可靠而稳定地工作，都由直流稳压电源供电。 三、实验原理

1．喷管中气流的基本规律

气流在喷管中稳定流动后，喷管任何截面上的质量流量m均相等，有连续性方程：

M=

（10-1）

式中：A—— 截面积[m2]

C —— 气体流速[m/ s] ? —— 气体比容[m3/kg]

AC??A1C1?1?A2C2?2=定值，[kg/s]

下标1—— 喷管进口

下标2——喷管出口

气体在喷管中作绝热膨胀，C1＜C2，工质为理想流体时，喷管的理论流量可按下式计算：

m?A2C2?2?A22kp1p2kp?[()?(2)k?1?1p1p12k?1k] （10-2）

式中： k —— 绝热指数，对于空气k=1.4 P1 —— 喷管进口压力（初压） [N/ m2] P2 —— 喷管出口压力 [N/ m2]

喷管中气体状态参数P、?和流动参数C的变化规律和流通截面积A的变化以及喷管前后的环境压力有密切关系，在某些条件下，气体在喷管中可能得到完全膨胀，在另一些条件下得不到完全膨胀，这样，喷管的出口截面压力P2有时等于，有时不等于喷管出口之外的环境压力 —— 背压Pb，为了了解其中关系，微分（10-1）式并作其他运算得：

2dAd?dca2－ｃ?－?2dp A?cckp(10-3)

式中：a —— 当地音速[m/ s]

显然，当来流速度M<1 时，喷管为渐缩喷管（dA<0）; 当来流速度M>1时，喷管为缩放喷管(dA>0）。喷管中气流的特征是dp＜0，dc>0，dv＞0，其间有相互制约关系。当某一截面流速C达到音速a（又称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力P，临界压力与喷管初

压之比Pc/P1称为临界压力比，经计算：

Pc2=

P1(k?1)kk?1 （10-4）

对于空气Pc/P1=0.528 2.气体在喷管中的流动状况 （1）渐缩喷管

渐缩喷管因受几何条件dA＜0的限制，分析（10-3）式可知，流速不可能高于音速，这样根据背压的不同，渐缩喷管可分为三种不同工况。

① 临界工况 Pb=Pc=P2

② 超临界工况 Pc=P2 > Pb （参看图10-4） ③ 亚临界工况 Pb=P2＞Pc

当渐缩喷管出口处气体速度达到音速时，或缩放喷管喉部气体速度达到音速时，通过喷管的气流流量便达到了最大值mmax(临界流量)，可用下式表示：

mmax?Amin2k2k-1p1?()?k?1k?1?12

(10-5)

式中Amin指渐缩喷管的最小截面积，即出口截面积A2，对于本实验台渐缩喷管，其算得值为Amin?(42－1.22)?11.44[mm2]。

4?（2）缩放喷管

缩放喷管由于几何条件满足，喉部dA=0，流速可达到音速a, 即c=a，扩大段dA＞0，流速可超过音速，即c＞a，压力可低于临界压力，

P＜Pc，但其缩小段受到最大流量的限制，作为一个整体，缩放喷管同样受这个限制。只要喉部达到临界状态，流量即可按（10-5）式计算，式中Amin为喉部截面积，对于本实验台缩放喷管喉部截面积其标称值也是11.44[mm2]。此外，在缩放喷管中，气流在扩大段能做完全膨胀，这时出口截面的出口压力成为设计压力（Pd）。根据背压的不同，亦可分为三种情况：

① 设计工况 P2= Pb= Pd

② 非设计工况 Pb < Pd ③ 非设计工况 Pb＞Pd

对于空气Pd/P1=0.138 四、实验内容及要求

1．渐缩和缩放喷管各选二种工况，按实验步骤和表10-1、表10-2要求记录实验数据，通过计算，绘制压力分布曲线图。（参考图10-4、图10-6）

2．渐缩和缩放喷管各做一次流量与背压Pb的关系测量，按表10-3、表10-4要求记录实验数据，通过计算绘制流量与背压的关系曲线。（参考图10-5、图10-7）

3．用计算机测控系统对上述1、2实验内容进行校验。（操作过程请详见计算机测控系统操作说明） 五、实验步骤 1 .实验前的准备

用“坐标标准化器”调好“位移坐标板”的基础位置，然后装好

要求实验的喷管，（操作要小心，不要碰坏测压探针）打开背压调节阀。检查真空泵的油位，打开冷却水，用手转动真空泵平衡轮1-2转，检查一切工作正常后，启动真空泵。 2. 测压力分布曲线

全开罐后调节阀，根据渐缩喷管和缩放喷管三种不同的工况，用罐前调节阀调节背压至一定值，摇动手轮（缓慢移动）将测压孔位置从喷管进口处开始，每间隔5mm（要求高时，每间隔3 mm）一停，记下真空表8读数，换算成绝对压力，一直移到出口之外一段距离（大约10mm），整理数据，绘制压力分布曲线图。 3．测流量变化曲线

全开罐后调节阀，把罐前调节阀全关闭，将测压孔移至喷管进口处( 根据实验要求)，此时真空表8所测压力为P1，真空表10所测压力为背压Pb。把处于全关闭状态的罐前调节阀（调节背压）逐渐缓慢开启，随着背压Pb的降低（真空度升高），流量自0逐渐增大，背压每变化0.01真空度一停，记下真空表8、10读数和U形管差压计读数，当背压降至某一定值时流量达到最大流量mmax保护不变，整理数据，绘制流量分布曲线图。 4．实验结束

打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气，关停真空泵，立即打开罐后调节阀，让真空泵充气，以防止回油，最后关冷却水。 六、实验要求

1．实验前，预习实验内容和有关知识并写预习报告。 2. 实验报告中，原始数据表格不可少，并要完整，清楚。

渐缩喷管压力分布测量实验原始数据记录表10-1

大气压力Pa= 室温ta= ℃ P1= MPa (绝

对压力)

测压孔位置 不 同 工 况 下 压 力 （测压孔压力） （测压孔压力）（测压孔压力） Pb=Pc Pb＞Pc （自入口） Pb＜Pc

x[mm] 真空度 [MPa] 绝对压真空度 力 [MPa] [MPa] 绝对压真空度 力 [MPa] [MPa] 绝对压力 [MPa] 管 内 管 0 5 ┋ ┋ 30 35 40 45 50 临界压力：Pc/P1 ； 实验 结果 理论值（把0.528作为真值）； 测量值= ； 相对误差= ； 实 验 分 析

缩放喷管压力分布测量实验原始数据记录表10-2

大气压力Pa= 室温ta= ℃ P1= MPa (绝对压力)

不 同 工 况 下 压 力 （测压孔压力） （测压孔压力） （测压孔压力） 测压孔位置 Pb＜Pd 绝对压（自入口） 真空度 x[mm] [MPa] ] 管 内 管 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Pb=Pd 绝对压真空度 力 [MPa[MPa] ] [MPa力 Pb＞Pd 真空度 绝对压MPa] 力 [MPa]

设计工况压力比 :Pd/P1 ; 理论值Pd/P1（把0.138作为真值）; 测量值= 实验 结果 相对误差=

实 验 分 析

渐缩喷管流量测量实验原始数据记录表10-3

大气压力Pa= 室温ta= ℃ 喉部截面积Amin =

孔板压背压Pb 绝对压真空度 绝对压力 真空度 [MPa] ]

理论流量实测流量初压P1 m m 差PΔ 力 [MPa[mmH2O] a] [MPa] MP[kg/s] [kg/s]

实 验 结 果 最大流量 mmax[kg/s] 理论值 实测值 实 验 分 析

缩放喷管流量测量实验原始数据记录表10-4

大气压力Pa= 室温ta= ℃ 喉部截面积Amin =

背压Pb 孔板压初压P1 理论流量实测流量

差PΔ 绝对压真空度 绝对压力 真空度 [MPa] ] 实 验 结 果 实测值 实 验 分 析

m m 力 [MPa[mmH2O] a] [MPa] MP[kg/s] [kg/s] 最大流量 mmax[kg/s] 理论值

图10-1 实验台总图

图10-2 渐缩喷管 图10-3

缩放喷管

图10-4 渐缩喷管压力曲线

图10-5 渐缩喷管流量曲线（当P1=1bar，t3=20℃）

图10-6 缩放喷管压力曲线

图10-7 缩放喷管流量曲线（当P1=1bar，t1=20℃）

计算机测控系统操作说明

图11-1 CO2试验台系统图

2．试验台本体如图11-2所示，其中

1－高压容器； 3－压力油；

2－玻璃杯； 4－水银； 6－填料压盖； 8－承压玻璃管； 10－温度计。

5－密封填料； 7－恒温水套； 9－CO2空间；

3．对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数p，v，t之间有：

F（p，v，t=0） 或 t=f（p，v）

（11-1）

本试验就是根据式（11-1），采用定温方法来测定CO2的p－v

之间的联系，从而找出CO2的P―v―t的关系。

4．实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入予先装了CO2气体的承压玻璃管内，这时CO2被压缩，其压力和容积的变化是通过压力台上活塞杆的进、退来调节，温度由水恒温器所供给的水温来调节。

5．实验工质CO2所承受的压力由装在压力台上的压力表读出，温度由插在恒温水套中的温度计读出，比容首先由承压玻璃管内CO2柱的高度来度量，然后再根据承压玻璃管内径均匀，截面积不变等条件换算得出。

图11- 2 试验台本体

四、实验步骤

1．按图11-1装好试验设备，并开启试验本体上的日光灯。 2．使用水恒温器调定温度。

（1）把蒸馏水注入水恒温器内，请注意，不能注满，应离上板

面20-30mm，检查并接通电路，开启电源开关，观看电源指示灯是否亮，等电源指示灯亮了以后，再开启电泵开关，以及电加热器开关，给恒温器中的蒸馏水加热。

（2）旋转电接点温度计顶端帽形磁铁调动凸轮转示标，使凸轮

转示标上端面与所调定的温度一致，并将帽形磁铁用螺钉锁紧，以防转动。

（3）仔细观看恒温器上的玻璃温度计数值，同时再看一看试验

台本体上的温度计数值是否与它一致（可能有点误差，环境因素造成）。当水温未到要调定的温度时，恒温器指示灯亮，当指示灯时亮时灭时，说明温度已达到所需温度，这时可以开始做实验。

（4）当需要改变实验温度时，重复（2）（3）两步骤即可。 3．加压前的准备

因为压力台的油缸容量比主容器容量小（实验所需的油量是试验本体所需油量与油表管路所需油量之和），所以需多次从油杯中抽油，不断向主容器充油，直到压力表上有压力数值显示为止。抽油、充油过程中要小心操作，动作要慢，如有操作失误，不但压力加不上，同时还会损坏仪器，所以一定要掌握

操作步骤。 4．加压步骤

① 关闭压力表及进入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯进油阀，如油不够，应加油。（10＇，20＇机油即可） ② 摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出，这时压力台的油缸中抽满了油。

③ 先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。

④ 摇进活塞螺杆，给本体充油，如此反复多次，直至压力表上有压力并能满足实验所需压力为止。

⑤ 再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体的油路阀门是否开启，若均已稳定，即可进行实验。

5．测定承压玻璃管内CO2的质面比常数k值。

由于充进承压玻璃管内的CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A）又不易测准，因而实验中采用间接的办法来确定CO2的比容，认为CO2的比容υ与其高度是一种线性关系，具体如下： ①

已知CO2液体在20℃，9.80Mpa时的比容（υ20℃，9.80Mpa）

=0.00117m3/kg。

② 实际测出本试验台CO2在20℃，9.80Mpa时的CO2液柱高度Δh＇（m）。

（注意玻璃水套上刻度的标记方法）

③ 由①可知

??(20℃，9.80MPa)???h??A?0.00117m3/kg mmΔh???k(kg/m3) A0.00117那么任意温度、压力下CO2的比容为 ???h?h? m/Ak m3/kg

式中: ?h=h－h0

K —— 即为玻璃管内CO2的质面比常数 h —— 任意温度、压力下水银柱高度 h0 —— 承压玻璃管内径顶端刻度

6．实验中应注意从下几点

① 做各条定温线时，实验压力p≤9.80 MPa，实验温度t≤

50℃。

② 一般取h时，压力间隔可取0.20 ─ 0.5MPa，但在接近饱和状态和临界状态时，压力间隔应取为0.05 MPa。

③ 实验中取h时，水银柱液面高度的读数要准确，应使视线与水银柱半园型液面的中间平齐。 7．测定低于临界温度t=20℃时的定温线

① 用恒温器上电接点温度计调定、控制蒸馏水温度到20℃，并要保持恒温。

② 压力记录从4 MPa开始，当玻璃管内水银升起来，应足够缓慢地摇进活塞螺。

以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准。 ③ 按照适当的压力间隔取h值直至压力p=9.0MPa为止。 ④ 注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力与饱和温度的对应关系，液化、

气化等现象，将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表11-1内(参考表)

⑤ 测定t=25℃，t=27℃时，饱和温度与饱和压力的对应关系。 8．测定临界等温（t=31.1℃）线和临界参数，临界现象观察 ① 仿照步骤7那样测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力p和临界比容υ，并将数据填入表11-1内。 ② 临界现象观察 a．整体相变现象

由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是像临界温度以下那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变的过程。而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。

b．汽、液两相模糊不清现象

处于临界点的CO2具有共同参数（p、v、t），因而是不能区别此时CO2是气态还是液态的，说它是气体，那么这个气体是接近液态的气体，说它是液体，那么这个液体又是接近气态的液体。下面就来用实验证明这个结论。因为这时CO2是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使CO2压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到的。我们按

绝热过程来进行，首先在压力等于7.64MPa附近，突然降压，CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面，这就说明，如果这时管内CO2是气体的话，那么这种气体离液区很接近，可以说它是接近液态的气体。当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了，这就告诉我们：这时CO2液体离气区也是非常近的，又可以说它是接近气态的液体，既然此时的CO2既接近气态又接近液态，所以只能处于临界附近。可以这样说，饱和气、液分不清，这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象。

9．测定高于临界温度t=50℃时的等温线，并将数据填入表11-1内。

表11-1 CO2等温实验原始数据记录参考表 t=20℃ p（MΔh Pa） 4. 4..5 Δh??kt=31.1℃（临界） p现象 （MΔh Pa） Δh??kt=50℃ p??Δhk现象 （MΔh Pa） 现象

┇ ┇ ┇ ┇ ┇ ┇ ┇ ┇ 9 做出每条等温线所需时间 分钟 分钟 分钟

五、绘制等温曲线

1．按表11-1的数据，在p－v图上画出三条等温线（参考图11-3）。

2．将实验测得的等温线与图11-3所示的标准等温线比较，并分析之间的差异及原因。

图11-3 标准曲线

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7fih.html