《工程热力学》实验指导书喷管特性实验一、实验目的1、验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，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、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；3、明确在渐缩喷管中，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。

二、实验装置喷管实验台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.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.软管接头渐缩喷管三、实验原理1、喷管中气流的基本规律，来流速度，喷管为渐缩喷管.2、气流动的临界概念当某一截面的流速达到当地音速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（）。

临界压力与喷管初压（）之比称为临界压力比，有：当渐缩喷管出口处气流速度达到音速，通过喷管的气体流量便达到了最大值（），或称为临界流量。

可由下式确定：式中：—最小截面积（本实验台的最小截面积为：19.625 mm2）。

3、气体在喷管中的流动渐缩喷管因受几何条件的限制，气体流速只能等于或低于音速（）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（）。

根据不同的背压（），渐缩喷管可分为三种工况：A—亚临界工况（），此时m<,B—临界工况（），此时m=,C—超临界工况（），此时m,四、操作步骤1、用“坐标校准器”调好“位移坐标板”的基准位置；2、打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。

一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。

而后启动真空泵；3、测量轴向压力分布：用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记录；然后转动手轮，使测压探针向出口方向移动。

每移动5mm便停顿下来，记录该点的位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外；4、流量的测量：把测压探针的引压孔移至出口截面之外，打开罐后调节阀，关闭罐前调节阀，启动真空泵，然后用罐前调节阀调节背压，每次改变50mmHg柱，稳定后记录背压值和U形管差压计的读数。

当背压升高到某一值时，U形管差压计的液柱便不再变化（即流量达到了最大值），此后尽管不断提高背压，但U形管差压计的液柱仍保持不变；5、打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3分钟后停真空泵并立即打开罐后调节阀，让真空泵充气（目的是防止回油），最后关闭冷却水阀门。

五、数据处理1、压力值的确定（1）真空度换算成绝对压力值（p）：式中：—大气压力（mmbar）；—用真空度表示的压力。

（2）由于喷管前装有U形管压力计，气流有压力损失。

本实验装置的压力损失为U形管差压计读数（）的97% 。

因此，喷管入口压力为：（3）临界压力，真空度为：计算时，式中各项必须用相同的压力单位。

（大致判断，约为380mmHg柱）。

2、喷管实际流量测定由于管内气流的摩擦而形成边界层，从而减少了流通面积。

因此，实际流量必然小于理论值。

其实际流量为：（kg/s）式中：—流速膨胀系数，—气态修正系数，—几何修正系数（约等于1）；Δp—U型管差压计的读数（mmHg）；—室温（℃）；—大气压力（mmbar）。

六、实验报告要求1、以测点位置（x）为横坐标，以为纵坐标，绘制不同工况下的压力分布曲线。

2、以压力比为横坐标，流量为纵坐标，绘制流量曲线。

实验三空气在喷管中流动性能测定实验一、实验目的：1、验证和加深理解喷管中气体流动的基本理论。

2、观察气流在喷管中各截面的流速，流量，压力变化规律及掌握有关测试方法。

3、熟悉不同形式喷管的机理，加深对流动的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气体在喷管中作一元稳定等熵流动中，压力降低，流速增加。

气流速度C，密度ρ及压力P的变化与截面A的变化及马赫数Ma（速度与音速之比）的大小有关。

它们的变化规律如下表：Ma 渐缩管Ma 渐扩管（1）在亚音速（Ma<1）等熵流动中，气体在的管道（渐缩管）里，速度C增加，而密度，压力P降低，在的管道（渐扩管）里，速度C减小，而密度ρ，压力P增大。

（2）在超音速（Ma>1）等熵流动中，气体在渐缩管中，速度C减小，而压力P，密度ρ增大，在渐扩管中，速度C增加，压力P，密度ρ降低。

（3）在Ma=1，即达到临界流动状态，此时，压力为临界压力，气流速度为音速。

2、喷管中流量的计算（1）理论流量：根据气体一元稳定等熵流动中，任何截面上质量流量都相等，且不随时间变化。

流量大小由连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体方程，等熵过程方程，得到气体在喷管中流量的计算式：（kg/s）式中：—绝热指数C2—出口速度m/s A2—出口截面积m2V2—出口比体积（m3/kg）P2—出口压力（MPa）P1—进口压力（MPa）V1—进口比体积（m3/kg）若：P1=P2时P2=0时，即在0＜P2≤P c渐缩喷管的出口压力P2或缩放喷管的喉部压力P th降至临界压力时，喷管中的流量达最大值，计算式如下：临界压力P c为：将=1.4代入P c=0.528P1（2）、实测流量由于气流与管内壁间的摩擦产生的边界层，减少了流动截面，因为实际流量是小于理论流量，本实验台采用孔板流量计来测量喷管的流量。

孔板流量计上所示的压差△P（U型管上读出）。

质量流量q m与压差△P的关系式为：（kg/s）式中：——流量膨账系数,——气态修正系数,——几何修正系数,（标定值）△P——U型管压差计读数（mm.H2O）Pa——大气压t a——室温℃为了消除进口压力P1改变的影响，在绘制各种曲线时采用压力比做座标，绘制出压力曲线P x /P1——X和流量曲线——P b/P1由于实验台采用的是真空表测压、因此临界压力Pc在真空表上的读数P′c为由于孔板流量计的压降和空气在喷管进口的气流滞止现象，喷管进口压力为：以汞柱为单位时的孔板流量计压差三、实验装置实验装置总图如图1所示。

主要由真空泵和喷管实验台主体组成。

各部件作用及测量过程如下：图1 实验台总图图2 渐缩喷管图3 缩放喷管由于真空泵的抽吸，空气由进气2口进入吸气管1（φ57×3.5的无缝钢管）中，经过孔板流量计3（φ7）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。

备有渐缩喷管与缩放喷管两种型式，如图2、图3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φ0.8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，在座标板上所指出的x值来确定。

喷管的排气管上还装有背压P b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φ400的真空罐12是用于稳定背压P b的作用。

为了减少振动，泵与罐之间用软管13连接。

实验中需测量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P b；（4）流量。

这4个变量可分别用位移指针的位置x，真空表8上的读数P5。

背压真空表10上的读数P b，及U形管压差计4上的读数△P测得。

特别需要注意的是P5和P6是真空度，计算和绘制曲线时要换算成绝对压力。

四、实验步骤1、用座标校准器调准“位移座标”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P b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移动。

每隔5mm —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P x/P1—X曲线。

4、再用罐前调节阀11′逐次调节背压P b，为设定的背压值。

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P x/P1—X，（如图4，图6所示）。

q m×103[xg/s]图4 渐缩喷管压力曲线5、摇动手轮9，使测压孔的位置x位于喷管出口外30-40mm处。

此时真空表8上的读数为背压P b。

6、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11’调节背压P b，使它由全关状态逐渐慢开启。

随背压P b降低（真空度升高），流量q m 逐渐增大，当背压降至某一定值（渐缩喷管为P c，缩放喷管为P f）时，流量达到最大值q m,max，以后将不随P b的降低而改变。

7、用罐前调节阀11’重复上述过程，调节背压P b，每变化50mmHg一停，记下真空表10上的背压读数和U形管压力计4上的压差△P（mmH2O）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P b/P1和流量在座标纸上绘出流量曲线（如图5、图7所示）。

图6 缩放喷管压力曲线图5 渐缩喷管流量曲线（当℃）图7 孔板流量计曲线8、在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐调节阀11’，关闭罐后调节阀11，使罐内充报导。

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t s，大气压P a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。

在整理时，由于各种实验曲线都是以压力比（P a<P1，P b<P1）作座标，因此必须将压力换算为相同单位进行计算。

建议所有数据如下两种形式的表格中。

六、思考题（实验结果部分，结合图表回答）1、渐缩喷管出口截面压力（）低于临界压力；缩放喷管出口截面压力（）低于临界压力；(a)有可能(b)不可能2、当背压低于临界压力时渐缩喷管内气体（）充分膨胀渐放喷管内气体（）充分膨胀(a)有可能(b)不可能3、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（）充分膨胀(a)一定(b)不一定4、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（）临界压力缩放喷管出口截面压力（）背压渐缩喷管出口截面压力（）背压当背压高于临界压力时，渐缩喷管出口截面压力（）背压(a)高于(b)低于(c)等于(d)等于或高于5、当P b/P1>0.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（）流经缩放喷管的气体流速随背压降低而（）当P b/P1<0.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（）流经渐缩喷管的气体流速随背压降低而（）6、当P b/P1等于多少时，流经渐缩喷管的流量最大？实测值和理论值有何差异？7、为什么P b/P1<0.528时流经渐缩、缩放喷管的气体流量不随背压降低而增加？渐缩喷管流量测量原始记录及数据处理编号：No1 m2缩放喷管流量测量原始记录及数据处理编号：No2 m2实验三空气在喷管中流动性能测定实验记录实验时间：班号：姓名：同组人：m2渐缩喷管流量测量原始记录及数据处理表实验三空气在喷管中流动性能测定实验记录实验时间：班号：姓名：同组人：m2缩放喷管流量测量原始记录及数据处理气体物理参数综合测定（一）二氧化碳临界状态观测及p-v-t关系测定实验一、实验目的1、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的认识；2、增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解；3、掌握CO2的p-v-t关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧；4、学会活塞式压力计、恒温器等热工仪器的正确使用方法。