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  • 喷管实验台 实验指导书


  • 发布者:信息资讯 发表时间:2020-03-18
  • 一、实验目的

    1、巩固和验证气流在喷管中流动的基本理论。
    2、了解气流在喷管流动中的压力、流量的变化规律及测试方法。
    3、加深对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
    根据气体在喷管中作一元稳定等熵流动的特点,我们得到气体在变截面管道中,气流速度W、密度ρ、压力P的变化与截面A的变化及马赫数Ma(速度W与音速a之比)的大小有关。它们的变化规律如下表。



    由此可以得到下面一些结论:
    ①在亚音速(Ma<1)等熵流动中,气体在dA/dx<0的管道(渐缩管)里,速度W增加,而密度r、压力P降低;在dA/dx>0的管道(渐扩管)里,速度减少。
    而密度、压力增大。
    ②在超音速(Ma>1)等熵流动中,情况正好与亚音速流动的特点相反,气体在渐缩管中速度减少,而压力、密度增大;在渐扩管中速度增加,密度、压力降低。
    ③因此要想获得超音速气流,就必须使亚音速气流先在渐缩管中加速。当气流被加速到Ma=1,即达到临界状态时,变要改用渐扩管,以使气流继续加速到超音速,如图1所示。



    2、喷管中的流量m计算
    根据气体一元稳定等熵流动的连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体状态方程、等熵过程方程,得到气流在喷管中流量m的表达式为:



    很显然,满足式(2)的P2即为临界值Pco对应于该截面上的气流速度W2将达到音速a。



    3、喷管中的实际流量
    .
    前面(1)、(4)式给出理想流动的流量m表达式。实际上,由于气流与管壁的摩擦所产生的边界层,减少了流动截面积。因此,实际流量是小于理论流量。二者之比称为流量系数。本实验台是采用锥形入口孔板流量计来测量喷管的实际流量。根据孔板流量计上所显示的压差△P(在U型管压差计上读出)。求得流量m与压差△P的关系表达式为:






    、实验装置

    实验装置如图2所示,主要由真空泵和喷管实验台主体组成。


    由于真空泵的抽吸,空气由进气口2进入吸气管1(Ф57×3.5的无缝钢管)中,经过孔板流量计3(Ф7)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。有渐缩喷管与缩放喷管两种型式,如图3、图4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Ф0.8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,在坐标板上所指出的X值来确定。喷管的排气上还装有背压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。


      直径为Ф400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。
    在实验中需要测量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m;这4个变量可分别用位移指针的位置x,可移真空表8上的读数Pa,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。

    四、实验步骤

    1、用坐标校准器调好“位移坐标”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口移动。每隔5㎜一停,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为不同的背压值。在各个背压值下,重复上述摇动手轮9的操作过程,而得到一组在不同背压下的压力曲线Px/P1—X(如图5、图6所示)。
    5、摇动手轮8,使测压孔的位置X位于喷管出口外30—40㎜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缓慢开启。随背压Pb的降低(真空度升高),流量m逐渐增大,当背压降至某一定值(渐缩喷管为Pc,缩
    .
    放管为Pf)时,流量达到最大值mmax,以后,将不随Pb的降低而改变。
    7、用罐前调节阀11′重复上述过程,调节背压Pb,每变化50㎜Hg一停,记下真空表10上的背压读数和U型管压力计4上的压差△P(㎜H2O)读数(低真空时,流量变化大,可取20mmHg;高真空时,流量变化小,可取10mmHg间隔),将读数换算成压力比Po/P1和流量m(可用图7上给出的m/ebg×10º—△P曲线求得流量m),在坐标纸上给出流量曲线(如图8、图9所示),进行分析。
    8、在实验结束阶段真空泵停机前,打开罐前调节阀11′,关闭罐后调节阀11,使罐内充气。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。

    五、数据记录与整理

    实验中应认真做好原始数据记录(包括:室温ta,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。
    在整理实验数据时,由于各种实验曲线都是以压力比(Px/ P1,Pb/ P1)作坐标,因此必须将压力换算为相同单位进行计算。
    建议将所有数据填入如下两种形式的表格中。



    六、讨论

    1、分析实验结果
    2、实验的收获,体会及存在问题
    3、对改进意见。


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