實(shí)驗(yàn)二 噴管中氣體流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)二噴管中氣體流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)?zāi)康膰姽苁菬峁ぴO(shè)備常用的重要部件，這些設(shè)備工作性能的好壞與噴管中氣體流動(dòng)過(guò)程有著密切關(guān)系。通過(guò)觀察氣流流經(jīng)收縮型管道壓力的變化，測(cè)定臨界壓力比并計(jì)算在亞、超臨界工作狀態(tài)下，各截面的壓力比和馬赫數(shù)等，進(jìn)一步了解噴管中氣流在亞臨界、超臨界工作狀態(tài)下的流動(dòng)特性。觀察在縮擴(kuò)型噴管中氣體流動(dòng)現(xiàn)象，了解縮擴(kuò)型噴管前后壓力比等于、大于和小于設(shè)計(jì)壓力比條件下，擴(kuò)張段內(nèi)氣體參數(shù)的變化情況。二.實(shí)驗(yàn)原理由工程熱力學(xué)一元穩(wěn)定流動(dòng)連續(xù)方程可知，氣流的狀態(tài)參數(shù)v（比容）、流速U和噴管截面積A的基本關(guān)系為：du*dAdv_0（21）uAv漸縮噴管氣體流經(jīng)漸縮型管道時(shí)，氣流速度U不斷增大，壓力P和溫度T卻不斷減小。見(jiàn)圖一，氣體流經(jīng)噴管的膨脹程度一般用噴管的出口壓力P2和進(jìn)口壓力P1的比值P表示，氣體在漸縮噴管內(nèi)絕熱流動(dòng)的最大膨脹程度決定于臨界壓力比Pc，即:、KK、KK-1（2—2）式中：臨界壓力比Pc只和氣體的絕熱指數(shù)K有關(guān)，對(duì)于空氣K=1.4,從而得到Pc=0.528；Pc為氣體在漸縮噴管中膨脹所能達(dá)到的最低壓力，或稱(chēng)臨界壓力。圖一氣體經(jīng)漸縮噴管時(shí)壓力溫度變化曲線氣體在漸縮噴管中由P1膨脹到P2=Pc，這是最充分的完全膨脹。對(duì)應(yīng)于臨界壓力Pc，氣流流速達(dá)到當(dāng)?shù)氐囊羲賏（稱(chēng)其為臨界速度）。見(jiàn)圖二中曲線1?！?/p>

圖二漸縮噴管中的壓力分布當(dāng)背壓Pb低于臨界壓力Pc時(shí)，氣體在漸縮噴管中不能繼續(xù)膨脹到背壓Pb;而只能膨脹到臨界壓力Pc。如圖二中線段5所示。當(dāng)背壓P-大于臨界壓力Pc時(shí)，氣體在漸縮噴管中由P1膨脹到P2,氣體難以充分膨脹，此時(shí)P2=Pb，氣流流速小于當(dāng)?shù)氐囊羲佟Ｒ?jiàn)圖二中曲線2、3、4?？s擴(kuò)型噴管或稱(chēng)拉伐爾噴管氣體流經(jīng)縮擴(kuò)噴管時(shí)完全膨脹的程度決定于噴管的出口截面A2和噴管中最小截面積Amin的比值。噴管在設(shè)計(jì)條件下工作時(shí)，氣流完全膨脹出口截面的壓力P2=Pb，在最小截面積Amin上，氣流達(dá)到臨界速度，壓力為臨界壓力，在進(jìn)入噴管漸擴(kuò)段后，氣流繼續(xù)膨脹，轉(zhuǎn)入超音速流動(dòng)，壓力不斷減小。見(jiàn)圖三中的曲線1。II0三圖二漸擴(kuò)噴管中的壓力分布?xì)饬髟诳s擴(kuò)型噴管中流動(dòng)時(shí)，如果背壓Pb高于出口截面壓力P2,此時(shí)氣流膨脹過(guò)度，難以流出噴管漸擴(kuò)段，在背壓Pb作用下，氣流在噴管出口處將產(chǎn)生激波氣流通過(guò)激波，使壓力提高并等于背壓Pb，流出噴管。見(jiàn)圖三曲線2,3?？s擴(kuò)型噴管中氣流產(chǎn)生激波的位置隨著Pb的增大而沿著噴管軸線向最小截面移動(dòng)，當(dāng)背壓Pb繼續(xù)提高時(shí)，縮擴(kuò)型噴管最小截面上的壓力也將不再保持臨界壓力，隨背壓Pb升高而升高，這時(shí)氣流在噴管漸縮段的膨脹過(guò)程也將受背壓改變的影響。見(jiàn)圖三曲線2、3、4。氣流在縮擴(kuò)型噴管中流動(dòng)，當(dāng)背壓Pb低于出口壓力P2時(shí)，氣流只能膨脹到出口壓力P2值，一經(jīng)離開(kāi)出口截面，就發(fā)生突然膨脹，壓力降低到實(shí)際的背壓值Pb。見(jiàn)圖三中的曲線7。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備噴管實(shí)驗(yàn)裝置由噴管實(shí)驗(yàn)段、壓力測(cè)量系統(tǒng)和氣源設(shè)備等三部分，見(jiàn)圖四。圖四噴管實(shí)驗(yàn)裝置1、7真空表2位移標(biāo)尺3壓力探針4靜壓孔5噴管6穩(wěn)壓箱8真空泵9閥門(mén)10真空罐噴管實(shí)驗(yàn)段由噴管5（漸縮型噴管和縮擴(kuò)型噴管兩種若干備用）和穩(wěn)壓箱6。噴管出口和穩(wěn)壓箱緊密相連。噴管進(jìn)口氣流來(lái)自大氣，穩(wěn)壓箱用來(lái)給噴管提供穩(wěn)定的背壓Pb，Pb的大小由閥門(mén)9控制，背壓Pb的數(shù)值由穩(wěn)壓箱上的真空表7測(cè)出。壓力測(cè)量系統(tǒng)由裝在沿軸向可移動(dòng)距離的標(biāo)尺上的探針3和真空表1組成。探針上開(kāi)有靜壓孔4,移動(dòng)探針來(lái)感受?chē)姽芨鱾€(gè)截面上的壓力。壓力大小由真空表1測(cè)出。氣源設(shè)備由真空罐10、真空泵8、閥們9和連接管路組成。真空泵將真空罐內(nèi)的空氣抽出，形成低壓環(huán)境。注：噴管實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，通常用位移傳感器和壓力傳感器把壓力探針的位移信號(hào)和壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)信號(hào)，由函數(shù)記錄儀自動(dòng)描繪出靜壓沿噴管軸向變化曲線。四、實(shí)驗(yàn)步驟漸縮型噴管觀察漸縮型噴管臨界流動(dòng)狀態(tài)特性，并記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。緩慢移動(dòng)壓力探針，使其上的靜壓孔處于漸縮型噴管進(jìn)、出口截面間任一點(diǎn)位置，調(diào)節(jié)閥們9的開(kāi)度，使真空表1和7的示值均由零逐漸增大，觀察真空表1的示值變化情況。當(dāng)觀察到真空表1的指針停止移動(dòng)時(shí)，立即停止旋轉(zhuǎn)閥門(mén)9，并記錄真空表7的示值（mmHg），此時(shí)漸縮型噴管出口氣流速度剛好達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲隹趬毫2等于背壓Pb，即P2=Pc=Pb。保持漸縮型噴管臨界狀態(tài)不變，沿噴管軸心線前后移動(dòng)壓力探針，使靜壓孔從噴管進(jìn)口截面大出口截面之間每隔3—4mm測(cè)量一次壓力七值。記錄噴管各測(cè)量截面位置對(duì)應(yīng)壓力示值七。3觀察漸縮型噴管亞臨界流動(dòng)狀態(tài)的特性移動(dòng)壓力探針，使感壓孔處于噴管軸心線上任意位置，反向旋轉(zhuǎn)閥門(mén)9。減少開(kāi)度，使Pb高于臨界壓力Pc，此時(shí)整個(gè)噴管中的流動(dòng)為壓臨界狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，高于臨界壓力Pc的背壓Pb將嚴(yán)重影響噴管中的流動(dòng)，出口氣流速度不再是音速，出口截面的壓力P2也不再是臨界壓力Pc。保持漸縮型噴管壓臨界狀態(tài)不變，重復(fù)步驟1，記錄噴管截面各測(cè)量位置對(duì)應(yīng)的壓力示值Pa。驗(yàn)證背壓Pb的改變?nèi)绾斡绊懻麄€(gè)噴管內(nèi)的流動(dòng)。觀察漸縮型噴管超臨界流動(dòng)狀態(tài)的特性移動(dòng)壓力探針，使驚靜壓孔處于噴管軸心線上任意位置。加大閥門(mén)9的開(kāi)度，使Pb低于臨界壓力Pc，此時(shí)噴管中的流動(dòng)為超臨界狀態(tài)，出口截面上的壓力為臨界壓力Pc，出口氣流速度等于當(dāng)?shù)匾羲賏?！泸?yàn)證氣流在超臨界流動(dòng)狀態(tài)下，背壓Pb在低于臨界壓力Pc范圍內(nèi)變化時(shí)并不影響噴管內(nèi)的流動(dòng)。觀察縮擴(kuò)型噴管在各種工況下的流動(dòng)特性。參觀函數(shù)記錄儀繪制的漸縮型噴管三種工況下氣流沿噴管各截面的靜壓變化曲線。五、數(shù)據(jù)整理1、記錄實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地大氣壓力Pc（Pa）、溫度t0。2、記錄噴管各截面上的表壓力Pa數(shù)據(jù)，并計(jì)算出絕對(duì)壓力，壓力比Px/P0,氣流速度u*、溫度Tx、音速a*和馬赫數(shù)據(jù)Mx，數(shù)據(jù)句路表格參見(jiàn)附表。3、計(jì)算臨界壓力比P并與理論值比較。0P…4、用坐標(biāo)紙繪制出p=