喷管实验装置使用说明书

一、用途和特点
本实验台主要用于《工程热力学》教学中“喷管临界状态的观察”实验。
1．可方便地装上渐缩喷管或缩放喷管，观察气流沿喷管各截面的压力变化。
2．可在各种不同工况下（初压不变，改变背压），观察压力曲线的变化和流量的变化，从中着重观察临界压力和最大流量现象。
3．除供定性观察外，还可作初步的定量实验。压力测量采用精密真空表，精度0.4级。流量测量采用低雷诺数锥形孔板流量计，适用的流量范围宽，可从流量接近为零到喷管的最大流量，精度优于2级。
4．采用真空泵为动力，大气为气源。具有初压初温稳定，操作安全，功耗和噪声较小，试验气流不受压缩机械的污染等优点。喷管用有机玻璃制作，形象直观。
5．采用一台真空泵，可同时带两台实验台对配给的渐缩、缩放喷管做全工况观测。因装卸喷管方便，本实验台还可用作其他各种流道喷管和扩压管的实验。
二、设备结构
整个实验装置包括实验台、真空泵。
实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，见图1。

图1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  6.三轮支架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
进气管（1）为ф57×3.5无缝钢管，内径ф50。.空气吸气口（2）进入进气管，流过孔板流量计（3）。孔板孔径ф7，采用角接环室取压。流量的大小可从U形管压差计（4）读出。喷管（5）用有机玻璃制成。配给渐缩喷管和缩放喷管各一只，见图2、3。根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架（6），更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探压针（7）（外径ф1.2）连至“可移动真空表”（8）测得，它们的移动通过手轮～螺杆机构（9）实现。由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（ф0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，也可从装在“可移动真空表”下方的针在“喷管轴向坐标板”（在图中未画出）上所指的位置来确定。喷管的排气管上还装有“背压真空表”背压用调节阀（11）调节。真空罐（12）直径ф400，起稳定压的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。为减小震动，真空罐与真空泵之间用软管（13）连接。
在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内的不同截面位置x、气流在该截面上的压力p、背压p_b、流量m，这些量可分别用位移指针的位置、可移动真空表、背压真空表以及U形管压差计的读数来显示。
本实验台配套的仪器设备选型如下：
真空泵： 1401型   排气量3200升/分
三、使用说明
1.实验的内容和方法。图2、图3缩放喷管的压力曲线和流量曲线。
虚线表示理想气流，实线表示实际气流。先介绍理想曲线，然后简要说明实际曲线偏离理想曲线的主要现象和原因。
首先是由于气流有粘性摩擦，在壁面附近形成边界层。随着流程x的延长，边界层厚度加厚，减小了实际流通面积。所以，实际流量总是小于理论流量，边界层还使压力的分布发生一些变化。
对于渐缩喷管的超临界工况（p_b<p_t），由于出口处边界层被 “抽吸”，使临界截面稍向前移。对于缩放喷管的几种亚设计工况，偏离更为显著。

图2、缩放喷管的压力曲线

图3缩放喷管的流量曲线
对于p_a<p_b<p_f工况，由于扩大段中边界层的增长和分离，形成复杂的情况，压力的跃升变得比较平缓，不像理论上的正激波那样陡峭。
对于p_b>p_t工况，流量系数明显下降。在图2上可见，f点下移，d点上移。
其次，气流中含有水分，当气流在缩放喷管中具备深度膨胀的条件，由于温度急剧降低，水分将凝结，放出潜热加热气流，使压力曲线形成一个小的突跃。
另外，喷管流道在加工时不可避免地会有一些误差（控制在公差范围内，未标公差的尺寸，按7级精度公差）。喷管在使用一段时间后会附着一层污垢（可根据情况，定期清洗），由于流道尺寸的变化，势必引起压力分布和流量的变化。
2.在进行定量实验时，必须测量喷管的初压p₁和初温t₁(因进气管中气流速度很低，在最大流量时其数量级为1m/s，可近似认为p_1、t₁即是气流的总压和总温)。这两个参数可通过对大气状态的测量得出。气压计和温度计请用户自备。初温t₁等于大气温t_a，但初压p₁将略低于大气压力p_a，流量越大，低得越多一些。这主要是由于在进气管中装了测量流量的孔板，气体流过孔板将有压力损失。
根据经验公式的计算和实测，气体流过本实验台孔板装置的压力损失（p_a—p₁）约为角接取压U 形压差计读数Δp的97%。因此，喷管的初压可按
p₁= p_a-0.97Δp     计算。
对于教学实验来说，已足够准确。为不嫌麻烦，也可以直接利用进气管上予留的测压管口接上U形压差计进行实测。
根据上式，喷管的一个重要特征参数p_c= 0.528p₁，它在真空表上的读数应为：
p_c^′（真空度）=0.472p_a+0.51Δp
在计算时注意采用相同的压力单位。
孔板流量计流量的计算公式为
m=1.373×10^-4εβγ   [kg/s] 
式中：ε——流速膨胀系数       ε=1-2.873×10^-2
β——气态修正系数       β=0.538
γ——几何修正系数（标定）
Δp——U形压差计读数[mmH₂O]
p_a—大气压力[mbar]
t_a—大气温度[℃]
如p₁的单位采用[mmHg] ε、β公式应改为：
ε=1-2.155×10^-2 
β=0.621
在安装孔板时，应将圆锥孔朝向气流上游，圆柱孔朝向下游，不可装反。
3.实验装置必须保持各动、静密封面，特别是各真空表的密封，否则有可能达不到实验所要求的真空度，更严重的是将使测数据失真。喷管的两个端面要妥善保护，不使碰伤。在端面完好无损的情况下，更换喷管时，先把测压探针移至最右方，然后松开螺丝，沿着轴向平行地向左推开进气管的三轮支架，注意不要碰坏测压探针。
4.由于测压探针内径较小，测压的时滞现象比较严重。当以不同的速度摇动手轮时，画出的压力曲线将不重合，顺摇和逆摇相差更大。因此为了量取准确的压力值，摇动手轮必须足够地慢。
实验台有两只背压调节阀，装在不同的位置。型号规格虽同，但调节性能各异。装在真空罐进口的调节阀反应比较灵敏。利用它背压可迅速调到给定值。当实验台两台以上并联使用时，用它调节，可以减小相互间的干扰。装在真空罐出口的调节阀，反应比较迟钝，当背压要求缓慢而均匀地改变，利用它比较方便。
5.实验台出厂时配给图4、图5所示的渐缩喷管和缩放喷管各一只。

图4 渐缩喷管                   图5 缩放喷管
这里不妨介绍一下在设计这两只喷管的线形和尺寸时的一些基本考虑。渐缩喷管着重考虑能比较准确和清晰地读取临界压力p_c，这要求喷管出口的气流为均匀的一维流，为此流道采用了维托辛斯基型线。缩放喷管着重考虑对扩大段气流特性的观察，这是区别于渐缩喷管的特征所在。为此，扩大段的相对长度设计得长些，这是原因之一。为了加工方便，采用简单的圆锥形。
另外，还考虑到用一台1401型真空泵能同时带两台实验台对渐缩喷管和缩放喷管作全工况观测。所谓全工况，渐缩喷管是指p_b=p_c，即超临界、临界、亚临界的三种工况，缩放喷管是指p_c=p_d，即超设计、设计、亚设计等多种工况（参看第1点的说明）。要满足全工况观测，关键在于当两台都以最大流量m_max运行时，背压还能达到足够高的真空度（p_b<p_d）。为此，喷管最小截面的直径（p₁t₁一定时，确定m_max）和缩放喷管扩大段的锥度（确定p_d/p₁），不能取得过大。最后确定按图4、图5的尺寸。
虽然我们实现了上述“一泵带两台”，仍能满足全工况观测。但应指出，因真空泵的抽气速率毕竟有限，当一台在、也仅仅在亚临界工况（渐缩喷管p_b>p_c,缩放喷管p_b>p_t，共同的特点是m<m_max）范围内改变工况时，由于流量改变，将使另一台的背压产生一些变动最大可达30mmHg，造成工况不稳。这一点应提请用户注意，以免在实验中产生问题。建议在实验中，分别在两台做实验的两个组稍稍配合一下，可基本上消除这种影响。做法是:
a.两组同时都做流量曲线实验，反正工况需要改变，不怕对方干扰。
b.两组同时都做压力曲线实验。当本组处在亚临界工况需要调节时，予先通知一下对方，让他们在给定工况下画完一条压力曲线后，本组才进行调节。最好同时调节。
6.本实验台各种仪器设备的使用方法和注意事项，详见各自的说明书。
这里只着重指出一点，真空泵在停机前，先关闭真空罐出口的调节阀，让真空罐充气。关停真空泵后，立即打开此阀（真空泵上装有充气阀的还可打开充气阀），让真空泵充气。这样做，一方面防止真空泵回抽，以免损坏用非耐油橡胶制成的减震软管。另方面有利于真空泵下次的启动。