实验３ 喷管特性实验
一、 实验目的
（1）巩固和验证有关气体在喷管内流动的基本理论，掌握气流在喷管中流速、流量、压力的变化规律。

（2）测定不同工况下，气流在喷管内流量m
的变化，绘制流量曲线。

（3）测定不同工况时，气流沿喷管各截面（轴相位置X ）的压力变化情况，绘制1
p p X
x
-
关系曲线。

二、实验装置
三、实验原理
1．喷管中气流的基本原理
由连续方程、能量方程和状态方程结合声速公式KPV a =得：
c dc M A dA ⎪
⎭⎫ ⎝
⎛-=12 马赫数M=c/a 显然，要使喷管中气流加速，当M<1时，喷管应为渐缩型（dA<0）；当气流M>1时，喷管应为渐扩型（dA>0）。

2．气体流动的临界概念
喷管中气流的特征是dp<0，dc>0，dv>0，三者之间互相制约。

当某一截面的速度达到当地音速时，气流处于从亚音速变为超音速的转折点，通常称为临界状态。

临界压力比112-⎪
⎭⎫ ⎝⎛+=K K
K ν
，对于空气，ν=0.528
当渐缩喷管出口处气流速度达到音速或缩放喷管喉部达到音速时，通过喷管的气体流量便达到了最大值，或成临界流量。

可由下式确定：
图1 喷管实验装置系统
1. 实验段（喷管）；
2. 孔板；
3. 探针移动机构；
4. 孔板压差计
5. 调节阀；
6. 真空泵；
7. 风道入口； 8. 背压真空表； 9. 探针连通的真空表； 10. 稳压罐 11. 调节阀 12.
实验台支架
1112
1212m i n m a x V P
K K K K A m ⋅-⎪⎭
⎫ ⎝⎛++= 式中：
min A —最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流通截面积；对于缩放喷管即为喉部的面积。

本实验台的两种喷管
最小截面积均为11.44）。

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。

有公式可知：气体流速只能等于或低于音速（a C ≤）；出口截面的压
力只能高于或等于临界压力（c P P ≥2）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（max m m =）。

（2）缩放喷管
缩放喷管的喉部dA=0，因而气流可达到音速（c=a ）；扩大段dA>0，出口截面处的流速可超音速（c>a ），其压力可低于临界压力（P2<Pc ），但因喉部几何尺寸的限制，其流量的最大值仍为最大流量（max m
）。

气流在扩大段能做完全膨胀，这时出口截面处的压力称为设计压力（Pd ）。

四、实验内容及步骤：
1、调整好移动探针的基准位置；小心地装上要求实验的喷管（注意：不要碰坏测压探针）。

2、用随机附带的软连接钢丝管将真空泵与稳压罐连接卡紧。

接通自来水并控制进水量使水箱溢流口有小溢流；将真空泵接入三相电源。

3、如果使用的是配有微机接口的实验台，就要将传感器与控制箱连接，控制箱与微机机箱串口相连，然后在微机上运行软件，出现软件界面后，按软件说明书要求操作，开始实验，软件将根据实验工况自行绘制压力曲线和流量曲线，并进行保存
4、检查一切正常后，启动真空泵。

全开调节阀5，用调节阀11调节背压b P 至某一定值。

摇动手轮使测压孔位置X 自喷管进口缓慢向出口移动，每隔5mm 一停，一直到喷管出口以外30mm 左右（观察指针指示位置）。

记下真空表9上的读数（真空度）。

这样将测得对应于这一背压下的一条1/x p p X -曲线。

5、再用调节阀11逐次调节背压b P 为不同的背压值。

在各个背压值下，重复上述摇动手轮的操作过程，而得到一组在不同背压下的压力曲线1/x p p X -（参见附图压力曲线）。

6、摇动手轮，使测压孔的位置X 位于喷管出口外30~40mm 处。

此时真空表9上的读数为背压b P 。

7、全开罐后调节阀5，用罐前调节阀11调节背压b P ，使它由全关状态逐渐缓慢开启。

随背压b P 的降低（真
空度升高），流量m 逐渐增大，当背压降至某一定值时，流量达到最大值 .
max m ，以后将不随b P 的 降低而改变。

8、用罐前调节阀11重复上述过程，调节背压b P ，每变化0.03MPa 一停，记下真空表8上的背压读数和U 形管压力计上的压差2()P mmH O ∆读数，在座标纸上绘出流量曲线，进行分析。

9、在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐前调节阀11和罐底排气阀，关闭罐后调节阀5，使罐内充气。

当关闭真空泵后，关闭冷却水阀门，放净水箱和真空泵中存水。

五、数据记录与处理
（一）渐缩喷管P1=0.1MPa 绝对压力=0.1MPa—真空度
压力分布
测压位置X/ mm
X处的压力
背压 Px/MPa
P b/MPa
3 6 9 12 15 18 21 2
4 27 30 40 4
5 50 55 60
0.0200 （真空度）真空度绝对压力
0.0800 （真空度）真空度绝对压力
流量曲线
背压P b/MPa
（真空度）
孔板流量计压降
0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250 0.0300 0.0350 0.0400 0.0450 0.0500 0.0550 H右/ mmH2O
H左/ mmH2O
△H/ mmH2O
（二）缩放喷管P1=0.1MPa 绝对压力=0.1MPa—真空度
压力分布
测压位置X/ mm
X处的压力
背压 Px/MPa
P b/MPa
3 6 9 12 15 18 21 2
4 27 30 40 4
5 50 55 60
0.0200 （真空度）真空度绝对压力
0.0800 （真空度）真空度绝对压力
流量曲线
背压P b/MPa
（真空度）
0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250 0.0300 0.0350 0.0400 0.0450 0.0500 0.0550
孔板流量计压降
H右/ mmH2O
H左/ mmH2O
△H/ mmH2O
1.绘制不同工况下喷管内的压力（绝对压力）分布曲线Px/P1～X；
渐缩喷管
缩放喷管：
2.绘制流量曲线△H～X
渐缩喷管：
缩放喷管：
六、实验注意：
（1）实验时候冷却水的温度不能太高，不然真空泵的效果不好。

（2）停机前，先关真空罐出口调节阀，让真空罐充气，关真空泵后，立即打开此阀，让真空泵充气。

防止真空泵回油，也有利于真空泵下次启动。