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喷管中气体流动基本特性实验

一、实验目的
1. 验证并进一步对喷管中气流基本规律的理解。牢固树立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念。
2. 掌握喷管实验装置的实验原理、实验方法和操作步骤,比较熟练地用热工仪表测量压力(负压)、压差及流量。
3. 测量并绘制喷管内的压力分布曲线及流量曲线,做出定性的解释。
二、实验原理
喷管是一些热工设备的重要部件,这些设备的工作过程和喷管中气体的流动过程有密切的关系。实验观察气流完全膨胀时沿喷管各界面的压力变化,测定流量曲线和临界压力比,可以帮助了解喷管中气体流动现象的基本特性,并且通过观察渐缩渐扩喷管中膨胀不足和膨胀过度的现象,还可进一步了解工作条件对喷管中流动过程的影响。
气体在喷管的流动过程中,气体的状态参数P、V,流速C和喷管截面积f之间的基本关系可用下面三个方程表示:
喷管中气体流动基本特性实验(4-1)
式中:M为马赫数,是表示气体流动特性的一个重要特性值。M<1时,表明气体流速小于当地音速,M>1时,气体流速大于当地音速,气体作超音速流动。
方程指出:气体流经喷管时,压力降低,流速增大,喷管的截面积亦随之变化,而喷管的截面变化情况则取决于M值.
1) 当气流流速小于音速(即M<1)时,欲使流速增大,喷管截面应该是收缩的;
2) 当气流流速大于音速(即M>1)时,喷管截面应该是扩放的;
3)当流速等于音速时,喷管截面最小,此处正是气流流速由亚音速过渡到超音速,喷管由收缩形过渡到扩放形的转折点。这点的参数称为喷管的临界参数,用脚码C表示,如临界压力PC、临界流速CC等等。
1.渐缩喷管
气体流经喷管的膨胀程度可以用喷管的背压P2与进口压力P1之比β表示。喷管中气体流动基本特性实验称为压力比。而气体在渐缩喷管中膨胀所能达到的最低压力,是使喷管出口的气流速度达到当地音速的压力,即临界压力PC。所以,气流在渐缩喷管中流动时最大膨胀程度决定于临界压力比βC。
喷管中气体流动基本特性实验(4-2)
并且临界压力比只和气体的绝热指数K有关。对于空气等双原子气体K=1.4,βC=0.528,
PC=0.528 P1。不同压力比的工况下,气流在喷管中流动时的膨胀情况如图1—1所示。图中绘出三组曲线。
喷管中气体流动基本特性实验
图11 渐缩喷管中压力分布
1—P2= PC;2,3,4—P2> PC5—P2< PC
喷管中气体流动基本特性实验
图1--2渐缩喷管的流量曲线
1)曲线1:压力比等于临界压力比(β=βC),即背压等于临界压力(P2= PC),气体在喷管中可以由入口压力P1一直膨胀到出口背压PC,即进行了最充分的完全膨胀。这时,喷管出口的气流流速达到当地音速的数值。
2)曲线2、3、4:压力比大于临界压力比(β>βC),即背压大于临界压力(P2> PC),气体在喷管中也可以由P1一直膨胀到P2,但喷管出口的气流流速未达到当地音速的数值。
3)曲线5:压力比小于临界压力(β<βC),即背压低于临界压力(P2< PC),气体在喷管中压力由P1只能膨胀到PC,喷管内压力变化情况仍如曲线1所示,它不受背压P2降低的影响,而气流一离开喷管的出口截面就发生突然的膨胀,压力降至P2,并因而使气流产生了一部分动能损失。此时,喷管的出口气流流速仍为当地音速。
通过渐缩喷管的气体质量流量m与压力比β(P2/ P1)有关,计算公式为:
喷管中气体流动基本特性实验(4-3)
式中:K—绝热指数;
f2-喷管的出口截面积[m2];
v1—喷管进口截面上气体的比容[m3/kg];
P1,P2—喷管进出口截面上气体压力和背压[Pa];
上式适用于P2≥ PC的情况。当P2=PC时,上式可根据式(2)的关系整理成为:
喷管中气体流动基本特性实验(4-4)
再将k=1.4代入此式,则可将进一步化简为:
喷管中气体流动基本特性实验(4-5)
(5)式表示,喷管的最大质量流量值决定于喷管进口的气体状态,当背压自临界压力继续降低时,喷管的流量将保持最大值而不再变化。在进口气体状态不变时,渐缩喷管通过的质量流量与压力比的关系如图1—2所示。
2 渐缩渐扩喷管(拉伐尔喷管)
当压力比低于临界压力比(β<βC)时,应采用渐缩渐扩喷管,以获得超音速气流。气体在渐缩渐扩喷管中流动时的膨胀情况可由图3—3所示的三组压力分布曲线表明。
曲线1:喷管在设计条件下工作,气流在喷管中由入口压力膨胀至背压,即气流得到完全膨胀。在最小截面上,压力为临界压力、气流达到临界流速。在渐扩段转入超音速流动。
曲线7:喷管在非设计条件下工作。此时,喷管的实际背压低于设计值,气流发生膨胀不足,在喷管内气流仍可如设计条件一样(如曲线1),由入口压力膨胀至设计背压值,当气流一离开出口截面就发生突然膨胀,压力降低到实际背压值。这部分管外突然膨胀使气流损失了一部分动能
喷管中气体流动基本特性实验
图1—3 渐缩渐扩喷管中的压力分布
曲线2、3、4:喷管在背压高于设计背压的 1-在设计条件下工作的压力分布图;
非设计条件下工作。此时气流膨胀过度,气流在 2,3,4,5,6—膨胀过度时压力分布图喷管中膨胀到比外界(实际)背压低的压力,而 7—膨胀不足时喷管出口出现的突然膨胀。后由该截面至出口截面气流发生压缩过程,使出
口截面压力提高到外界背压而排出。喷管中开始发生压缩的(截面)位置随背压的提高而向最小截面方面移动。当背压提高到某一数值P2c时,喷管中开始出现压缩过程的位置发生在最小截面,如曲线4。
曲线5、6:如果再继续提高背压(P2> P2C),喷管最小截面上的压力就不再保持临界压力,而随背压的升高而升高。这时气体在最小截面之前(即渐缩段)的膨胀情况也受背压改变的影响,各截面上的压力值均随背压的升高而升高。
渐缩渐扩喷管也有像渐缩喷管一样图形的流量曲线,当β≤βC时,出现最大流量。此时最大流量值仍可用式(4)计算,只是将式中的f改为fmin。即:

喷管中气体流动基本特性实验(4-6)


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