(教材)工程热力学实验指导书

1、内容简介本书主要是工程热力学实验，分2章。第一章介绍具体的工程热力学实验，对每个实验，着重于阐明其实验原理、实验装置、实验操作方法和实验数据处理等内容。每一实验均附有思考问题，以帮助读者进一步分析实验中的问题。第二章是测量误差与数据处理，介绍了误差分析及数据处理方面的知识和方法。本书可供高等院校动力类相关专业的本科生或研究生使用，亦可供有关教师、实验技术人员在编写工程热力学实验指导书、安排热力学实验时参考。前 言工程热力学实验教程是依据工程热力学本科生课程的教学大纲编写的。它可供开设实验课、编写实验指导书的教师参考，亦可作为高等院校本科生、研究生的实验参考用书，也可供有关工程技术人员参考。本实

2、验教程以工程热力学实验为主，并据此编写了测量误差与数据处理。书中每一项实验的内容着重于阐明她的基本原理、实验装置结构系统、基本测试方法、数据整理以及某些技术问题等。每项实验都附有思考问题，以期使读者能进一步分析实验中的一些问题。本书由朱强编写。在本书编写过程中，得到了汪健生教授许多有意义的指导，在此表示衷心的感谢。此外，感谢为本书提供各种资料和帮助的其他专家教授们以及参与修改和校对工作的人员。在编写过程中，参考了国内外一些教材和文献的内容，在此一并致谢！由于受时间和作者水平的限制，书中难免疏漏和错误，可能还存在许多不尽如人意的地方，恳请读者们批评指正！以后将更加努力的学习和工作，以使本书的修订

3、趋于完善。目 录第一章 工程热力学实验1.1 饱和蒸汽p-T关系曲线测量实验（1）1.2 CO2临界现象观测及p-v-t关系测定实验（6）1.3 绝热节流效应的测定实验（15）1.4 喷管中气体流动实验（22）1.5 压气机性能实验（31）第二章 测量误差与数据处理2.1 误差 （40）2.2 测量不确定度 （44）2.3 实验数据处理方法 （45）第一章 工程热力学实验1.1 饱和蒸汽p-T关系曲线测量实验一、实验目的1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而树立液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念。2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽压

4、力与温度的关系（p-T关系）图表的编制方法。3、学会温度计、压力表、调压器和大气压力计等仪表的使用方法。4、学会用Microsoft Excel绘制并拟合各种与p-T关系有关的曲线，总结p-T关系经验公式。5、直接观察小容积和金属表面很光滑（汽化核心很小）条件下的泡态沸腾现象。二、实验设备1-压力表（-0.101.5MPa）；2-排气阀；3-缓冲器；4-可视玻璃及蒸汽发生器；5-电源开关；6-电功率调节；7-温度计（0300）；8-可控数显温度仪；9-电压表图1.1.1 可视性饱和蒸汽压力和温度关系仪三、实验方法与步骤1实验装置及仪表的工作原理和使用方法 电接点式压力表的使用方法本实验关系仪采

5、用的是电接点式压力表，表面中心设有调节旋纽（黑胶木），用两指旋动旋纽外缘可以拨动红色指针，红色指针用于限定蒸汽发生器内压力上限，一般在使用时先拨至压力计表面的1MPa刻度处。用一字形螺丝刀旋转中心的旋钮拨动绿色指针，此指针用于设定某一压力值，当蒸汽发生器内压力（黑色指针指示）升至该设定的压力值时，两针相撞后进入保温状态，如此多次将绿色指针分别设置各点压力值，使加热后蒸汽发生器内压力（黑色指针）到达设定指针压力位置，再观察此时的压力读数所对应温度计读数值。由于实验时温度和压力较高，当黑色指针或绿色指针与红色指针相撞时，仪器随即自动断开加热电源（处于保温状态），保证安全。 温度计的使用方法实验所用

6、温度计采用0300 的水银温度计，使用时，将温度计插入压力表前面的铜管中即可。2实验步骤 将温度计插入铜管内； 将电接点压力表上红色指针拨至1MPa； 将电压调压器指针调至零位，然后接通电源； 将电接点式压力表上绿色指针设定在某一压力值（例如开始时为0.1MPa）； 将电压调压器输出电压旋至220230V，电加热器开始加热蒸馏水，蒸汽发生器内压力（黑色指针）开始缓慢上升； 待蒸汽压力升至设定值时，即黑色指针与绿色指针相撞时，将电压调压器降至（2050）V，使加热器处于保温或微加热状态，这时蒸汽发生器内压力（黑色指针）应基本保持不变； 待蒸汽发生器内壁面出现微小气泡时，即进入饱和水状态（温度与饱

7、和蒸汽状态相等），迅速记录此饱和蒸汽的压力（p）和温度（t）。 重复上述步骤实验，在（01.0）MPa（表压）范围内实验不少于6次，且实验点应尽量分布均匀。3结束工作将调压器指针旋回能零位，并断开电源，整理好实验仪器。4记录室温（）和大气压力（MPa）。装 订 线课程名称： 学 院： 专 业： 年 级： 姓 名： 学 号： 成 绩： 四、数据记录与整理 1.记录与计算表1.1.1 实验测量参数原始记录表实验次数饱和压力kgf/cm2饱和温度误差压力表读值 P大气压力 B绝对压力 PP+B温度计读值 t 理论值t %1234562、绘制p-t关系曲线用Microsoft Excel绘制p-t关系

8、曲线，以p为横坐标（单位MPa），t为纵坐标（单位），如图1.1.2所示。 图1.1.2 饱和水蒸气p-t 关系实验曲线3、作双对数坐标图，并作线性拟合装 订 线将各组p，t分别取对数，用Microsoft Excel绘制饱和水蒸气温度和压力的双对数曲线，以lnp/4为横坐标x轴，lnt为纵坐标y轴, 如图1.1.3所示。图1.1.3 饱和水蒸气实验双对数坐标图作图同时用Microsoft Excel的曲线拟合功能（选直线拟合，并选公式显示），将饱和水蒸气双对数坐标图拟合成直线，图中会自动显示拟合的直线方程。将x=lnp/4，y=lnt代入y=k x+a可得形式为 (1.1.1)的经验公式。该

9、经验公式与标准经验公式 (1.1.2)对比，若k值越接近1.0，ea越接近c，则实验误差越小。但实际实验结果与标准经验公式计算结果会差别较大，试分析误差产生的原因。4、误差分析通过比较发现，实验值与标准实验值存在一定的误差，引起误差的原因可能有以下几个方面：（1）读数误差；（2）测量仪表精度引起的误差；（3）利用测量管测温所导致的误差；（4）实验装置本身的误差等。5、注意事项（1）实验装置通电后必须有专人看管。（2）实验装置使用压力最大为1.0MPa（表压），切不可超压操作。一旦超压，立即关闭实验装置的电源开关。（3）操作过程中，不可接触连接电接点压力表的缓冲器（金属管），避免被烫伤。装 订

10、线（4）高压时不允许用排气阀门排气，防止烫伤。（5）整个实验需90min左右。1.2 CO2临界现象观测及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感性认识。2加深对纯流体热力学状态：汽化、冷凝、饱和态和超临界流体等基本概念的理解。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，并在p-v图上绘出CO2等温线。4学会活塞式压力计、恒温器等热工仪器的正确使用方法。二、实验原理纯物质的临界点表示气液二相平衡共存的最高温度（tc）和最高压力点（pc）。纯物质所处的温度高于tc，无论压力大小，都不存在液相；压力高于pc

11、，无论温度高低，都不存在汽相；同时高于tc 和pc，则为超临界区。本实验测量t > tc，t = tc和t < tc三种温度条件下等温线。其中t > tc等温线，为一光滑曲线；t = tc等温线，在临界压力附近有一水平拐点，并出现气液不分现象；t < tc等温线，分为三段，中间一水平段为气液共存区。对纯流体处于平衡态时，其状态参数p、v和t存在以下关系：F(p,v,t) = 0 或v = f(p,t)由Gibbs相律，纯流体在单相区自由度为2，当温度一定时，体积随压力的改变而变化；在两相区自由度为1，温度一定时，压力一定，仅体积发生变化。本实验就是利用定温的方法测定CO

12、2的p和v之间的关系，获得CO2的p-v-t数据。三、实验装置流程和试剂实验装置由试验台本体、压力台和恒温浴组成（如图1.2.1）。试验台本体如图1.2.2所示。实验装置实物图如图1.2.3。实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装有高纯度的CO2气体的承压玻璃管(毛细管)，CO2被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞杆的进退来调节。温度由恒温水套的水调节，水套的恒温水由恒温浴供给。CO2的压力由压力台上的精密压力表读出（注意：绝对压力=表压+大气压），温度由水套内精密温度计读出。比容由CO2柱的高度除以质面比常数计算得到。试剂：高纯度二氧化碳。图1.2.1 C

13、O2 p-v-t关系实验装置 1-高压容器；2-玻璃杯；3-压力油；4-水银；5-密封填料；6-填料压盖；7-恒温水套；8-承压玻璃管（毛细管）；9-CO2；10-精密温度计；图1.2.2试验台本体图1.2.3 CO2 p-v-t实验装置实物图四、实验操作步骤1按图1.2.1装好试验设备；2 接通恒温浴电源，调节恒温水到所要求的实验温度（以恒温水套内精密温度计为准）；3加压前的准备抽油充油操作（1）关闭压力表下部阀门和进入本体油路的阀门，开启压力台上油杯的进油阀；（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。此时压力台上油筒中抽满了油；（3）先关闭油杯的进油阀，然后开启压力表下部阀门和进入本

14、体油路的阀门；（4）摇进活塞杆，使本体充油。直至压力表上有压力读数显示，毛细管下部出现水银为止；（5）如活塞杆已摇进到头，压力表上还无压力读数显示，毛细管下部未出现水银，则重复（1）（4）步骤；（6）再次检查油杯的进油阀是否关闭，压力表及其进入本体油路的二个阀门是否开启。温度是否达到所要求的实验温度。如条件均已调定，则可进行实验测定。4测定承压玻璃管（毛细管）内CO2的质面比常数K值由于承压玻璃管（毛细管）内的CO2质量不便测量，承压玻璃管（毛细管）内径（截面积）不易测准。本实验用间接方法确定CO2的比容。假定承压玻璃管（毛细管）内径均匀一致，CO2比容和高度成正比。具体方法如下：（1）已知纯

15、CO2液体在25，7.8MPa时，比容V = 0.00124 m3/kg；（2）实验测定本装置在25，7.8MPa（表压大约为7.7 MPa）时，CO2柱高度为。式中，承压玻璃管(毛细管)内径顶端的刻度（酌情扣除尖部长度），25，7.8MPa下水银柱上端液面刻度。（注意玻璃水套上刻度的标记方法）（3）25，7.8MPa下比容： （1.2.1）式中：mCO2质量（kg），A承压玻璃管(毛细管)截面积（m）， h测量温度压力下水银柱上端液面刻度（m），K质面比常数（kg/m） 质面比常数 （1.2.2）又如为测量温度压力下CO2柱高度（m），则此温度压力下CO2比容， （1.2.3）5测定低于临界

16、温度下的等温线（T= 25）（1）将恒温水套温度调至T= 25，并保持恒定。（2）逐渐增加压力，压力为4.0MPa左右时（毛细管下部出现水银面）开始读取相应水银柱上端液面刻度，记录第一个数据点。读取数据前，一定要有足够的平衡时间，保证温度、压力和水银柱高度恒定。（3）提高压力约0.3MPa，达到平衡时，读取相应水银柱上端液面刻度，记录第二个数据点。注意加压时，应足够缓慢的摇进活塞杆，以保证定温条件，水银柱高度应稳定在一定数值，不发生波动时，再读数。（4）按压力间隔0.3MPa左右，逐次提高压力，测量第三、第四数据点，当出现第一小滴CO2液体时，则适当降低压力，平衡一段时间，使CO2温度和压力恒

17、定，以准确读出恰好出现第一小液滴CO2时的压力。（5）注意此阶段，压力改变后CO2状态的变化，特别是测准出现第一小滴CO2液体时的压力和相应水银柱高度及最后一个CO2小气泡刚消失时的压力和相应水银柱高度。此二点压力应接近相等，要交替进行升压和降压操作，压力应按出现第一小滴CO2液体和最后一个CO2小气泡刚消失的具体条件进行调整。（6）当CO2全部液化后，继续按压力间隔0.3MPa左右升压，直到压力达到8.0MPa为止（承压玻璃管的最大压力应小于8.0MPa）。6测定临界等温线和临界参数，观察临界现象（1）将恒温水套温度调至t= 31.1，按上述5的方法和步骤测出临界等温线，注意在曲线的拐点（p

18、=7.376MPa）附近，应缓慢调整压力（调压间隔可为0.05MPa），以较准确的确定临界压力和临界比容，较准确的描绘出临界等温线上的拐点。（2）观察临界现象a临界乳光现象保持临界温度不变，摇进活塞杆使压力升至pc附近处，然后突然摇退活塞杆(注意勿使试验台本体晃动)降压，在此瞬间玻璃管内将出现圆锥型的乳白色的闪光现象，这就是临界乳光现象。这是由于CO2分子受重力场作用而沿竖直方向分布不均和光的散射所造成的。可以反复几次观察这个现象。b整体相变现象临界点附近时，汽化热接近于零，饱和蒸汽线与饱和液体线接近合于一点。此时气液的相互转变不像临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变过程

19、；而是当压力稍有变化时，气液是以突变的形式相互转化。c汽液二相模糊不清现象处于临界点附近的CO2具有共同的参数（p,v,t），不能区别此时CO2是气态还是液态。如果说它是气体，那么，这气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这液体又是接近气态的液体。下面用实验证明这结论。因为此时是处于临界温度附近，如果按等温过程，使CO2压缩或膨胀，则管内什么也看不到。现在，按绝热过程进行，先调节压力处于7.4 MPa（临界压力）附近，突然降压（由于压力很快下降，毛细管内的CO2未能与外界进行充分的热交换，其温度下降），CO2状态点不是沿等温线，而是沿绝热线降到两相区，管内CO2出现了明显的液面。这就是说

20、，如果这时管内CO2是气体的话，那么，这种气体离液相区很近，是接近液态的气体；当膨胀之后，突然压缩CO2时，这液面又立即消失了。这就告诉我们，这时CO2液体离气相区也很近，是接近气态的液体。这时CO2既接近气态，又接近液态，所以只能是处于临界点附近。临界状态流体是一种气液不分的流体。这就是临界点附近气液二相模糊不清现象。7测定高于临界温度的等温线（t = 40）将恒温水套温度调至t = 40，按上述5相同的方法和步骤进行。课程名称： 装 订 线学 院： 专 业： 年 级： 姓 名： 学 号： 成 绩： 五、实验数据记录及处理将实验数据记录于表1.2.1。表1.2.1不同温度下CO2的 p-v数

21、据测定结果室温_ ，大气压_ MPa，毛细管内部顶端的刻度h0=_ m，25，7.8MPa下CO2柱高度=_ m，质面比常数K =_ kg/m2Nt = 25.0t = 31.1t = 40.0p绝 (MPa)h(m)v=h/K(m3/kg)现象p绝(MPa)h(m)v=h/K(m3/kg)现象p绝 (MPa)h(m)v=h/K(m3/kg)现象123456789101112131415161718等温实验时间= min等温实验时间= min等温实验时间= min六、实验结果及分析1按表1.2.1的数据仿照图1.2.4标准等温线在图1.2.5上绘制三条等温线。标准等温线：装 订 线图1.2.4

22、 标准条件下CO2 p-v图等温线装 订 线图1.2.5 实验条件下CO2 p-v图等温线2将实验测得的临界比容与理论计算值填入表1.2.2。表1.2.2 临界比容(m3/kg) 标准值实验值 0.00216七、实验讨论与误差分析1将实验测得的等温线与图1.2.5所示的标准等温线比较，并分析实验误差和引起误差的原因。2将实验测得的临界比容的实验值与标准值及理论计算值比较，并分析实验误差和引起误差的原因。装 订 线八、思考题1质面比常数K值对实验结果有何影响？为什么？2为什么测量25下等温线时，严格讲，出现第1个小液滴时的压力和最后一个小气泡将消失时的压力应相等？（试用相律分析）九、注意事项1实

23、验压力不能超过8.0 MPa，实验温度不高于40。2应缓慢摇进活塞螺杆，否则来不及平衡，难以保证恒温恒压条件。3一般，按压力间隔0.3MPa左右升压。但在将要出现液相，存在气液二相和气相将完全消失以及接近临界点的情况下，升压间隔要很小，升压速度要缓慢。严格讲，温度一定时，在气液两相同时存在的情况下，压力应保持不变。4准确测出25，7.8MPa时CO2液柱高度。准确测出25下出现第1个小液滴时的压力和体积（高度）及最后一个小汽泡将消失时的压力和体积（高度）。5压力表读得的数据是表压，数据处理时应按绝对压力（= 表压+大气压）。1.3 绝热节流效应的测定实验一、实验目的绝热节流效应在工程上有很多应

24、用。如利用节流的冷效应进行制冷。节流效应也是物性量，在研究物质的热力学性质方面有重要作用。如根据测定的节流效应数据可以推导出较精确的经验状态方程式。测定绝热节流效应的基本方法是在维持气体与周围环境没有热交换的条件下对气体节流，测量其节流前后的压力和温度。二、实验装置实验用的设备和仪器仪表有节流器、恒温器、标准压力表、温度计（测温电阻和电桥）、大气压力计和气源设备等。实验装置系统如图1.3.1所示。空气压缩机4供给的空气先经过一组干燥器3。干燥器内填装氯化钙、碳酸钠、硅胶等各种填料，除去空气中的水分和二氧化碳。进入节流器1的空气温度用恒温器2控制，恒温器内布置8米长铜管构成的换热器。节流前的空气

25、压力由阀门5调节，并由节流器进气管上的压力表指示。节流后的空气压力用调压阀6调整，并由节流器排气管上的压力表指示。调压阀后的排气管上，还可以装孔板及压差计测量流量，作为实验的参考数据。1-节流器，2-恒温器，3-干燥器，4-空气压缩机设备，5-阀门，6-调压阀图1.3.1绝热节流实验装置系统装置中可以采用节流阀或多孔陶瓷管作为节流件测定积分节流效应。图1.3.2为陶瓷管节流器的示意图。节流器浸没在恒温器中。多孔陶瓷管1长约18厘米。隔环3使透过陶瓷管的气流分为两股：隔环后的一股气流不冲刷测温电阻，用以消除外壳法兰导热的影响；护环前的这股气流受玻璃管2导流，全部由玻璃管的一端进入中心区沿轴向流动

26、，冲刷测温电阻。这种构造的节流器，陶瓷管件可以拆下，改装上用棉絮或细毛毡制成的节流件来测定微分节流效应。1-陶瓷管；2-玻璃管；3-隔环；4、5-测温电阻；6-外壳；7-进气管；-排气管；图1.3.2陶瓷管节流器三、实验原理绝热节流前后的气体焓值相等，因此可以把绝热节流过程当作焓不变的过程。此过程中温度随压力降落的变化率称为微分节流效应。微分节流效应表示为 (1.3.1)气体因节流引起温度变化相对于气体的温度值来说是很小的量。如果将上式中的温度和压力的微分量用与温度、压力本身的数值相比相当小的有限差值代替，所得结果十分接近实际。于是，微分节流效应可以根据下式直接测定： (1.3.2)测定时，通

27、常维持节流的压力降为左右。0的空气绝热节流时，压力每降，温度约降低0.28。当绝热节流的压力降相当大时，引起的气体温度变化值称为积分节流效应。积分节流效应与微分节流效应的关系如下： (1.3.3)式表示为 (1.3.4)式中，p1，T1为节流前气体的压力和温度，p2，T2为节流后气体的压力和温度直接测定积分节流效应很方便。只要实验的压力范围足够大，就可以根据直接测定的不同压力降落时积分节流效应数据，在图上画出一条等焓线，如图所示。等焓线的斜率即为（1.3.1）式所表示的微分节流效应。改变节流前气体的状态（p1，T1）可以得到不同焓值的等焓线，从而求得微分节流效应与温度、压力关系。图1.3.3T

28、-p图上的等焓线四、实验步骤实验工作是测量节流件两侧的空气压力和温度。压力和温度的测量要求较高的精度。测定微分节流效应和积分节流效应的方法分别如下：1微分节流效应维持节流前的空气压力为某一值，逐次改变节流前的空气温度，各次均在实验工况达到稳定后测量节流件两侧的压力和温度。改变节流前的空气压力值，按上述过程进行操作和测量。实验中，节流件两侧的压力差要维持在左右。根据实验测定的节流件两侧空气的压力和温度的各组数据，由式（1.3.2）计算出微分节流效应的值，并用如下两种方式表示出直接测定微分节流效应的全部结果：（1）列表表示微分节流效应与节流前空气压力和温度的关系（2）以为纵坐标，节流前的空气温度为

29、横坐标，节流前空气压力作为参考量，画出由实验数据所得的一组表示与节流前空气温度和压力关系的曲线。2积分节流效应维持节流前的空气压力和温度不变，逐次改变节流后的空气压力，各次均在实验工况达到稳定后测量节流件两侧的压力和温度。改变节流前的空气温度（如升高或降低1020），按上述过程操作和测量。用实验测定的节流前后压力和温度的各组数据，在T-p图上将节流前温度不变的一组数据拟合为一条等焓线。根据式（1.3.1），在等焓线上作不同点的切线，求出空气在不同状态下的一组微分节流效应值。用前述列表和曲线图两种方式，表示出通过测定积分节流效应确定的微分节流效应的全部实验结果。课程名称： 装 订 线学 院： 专

30、 业： 年 级： 姓 名： 学 号： 成 绩： 五、数据处理用实验测定的节流前后压力和温度和各组数据，在T-p图上将节流前温度不变的一组数拟合为一条等焓线。在等焓线上作不同点的切线，求出空气在不同状态下的一组微分节流效应值。用前面列表和曲线图两种方式，表示出通过测定积分节流效应确定的微分节流效应的全部实验结果。六、实验数据流量(m3/h) P1/ MPa P2/ MPa T1 T2 a. 由实验测得节流前后的温度和压力，根据公式，运用该公式的差分格式有，将数据代入求得微分节流效应如表格中的数据所示。b. 根据数据作出CO2的绝热节流过程中的定焓线如下图所示：装 订 线 c. 不同状态下的微分节

31、流效应值如下图所示： (图中曲线斜率近似为各状态的微分节流效应值） 七、思考题1. 试分析所用的实验设备是否维持了绝热条件，有哪些影响因素？装 订 线2. 试比较直接测定微分节流效应和通过测定积分节流效应确定微分节流效应两种方法的优缺点。3. 与标准曲线相比，实验得到的曲线偏差如何？试分析原因。1.4 喷管中气体流动实验一、实验目的1、巩固和验证气流在喷管中流动的基本理论。2、了解气流在喷管流动中的压力、流量的变化规律及测试方法。3、加深对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根据气体在喷管中作一元稳定等熵流动的特点，我们得到气体在变截面管道中，气流速度v、密度、压力p

32、的变化与截面A的变化及马赫数M（速度v与音速a之比）的大小有关。它们的变化规律如表1.4.1所示。表1.4.1气流速度v、密度、压力p的变化与截面A的变化及马赫数M的关系由此可以得到下面一些结论： 在亚音速（M < 1）等熵流动中，气体在< 0的管道（渐缩管）里，速度v增加，而密度r、压力p降低；在> 0的管道（渐扩管）里，速度减少，而密度、压力增大。 在超音速（M > 1）等熵流动中，情况正好与亚音速流动的特点相反，气体在渐缩管中速度减少，而压力、密度增大；在渐扩管中速度增加，密度、压力降低。 因此要想获得超音速气流，就必须使亚音速气流先在渐缩管中加速。当气流被加速到

33、M 1，即达到临界状态时，要改用渐扩管，以使气流继续加速到超音速，如图1.4.1所示。2喷管中的流量m计算根据气体一元稳定等熵流动的连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体状态方程、等熵过程方程，得到气流在喷管中流量m的表达式为：图1.4.1 渐扩管 （1.4.1） 式中：f2：出口面积m2v2：出口速度m/sp0：出口滞止压力：出口比容：出口滞止比容p2：出口压力K：绝热指数由式(1)可以看出：当p2=p0时，=0当p2=0时，=00<p2<p0时，流量m将存在一个最大值。令，得 （1.4.2）很显然，满足式（2）的p2即为临界值pco对应于该截面上的气流速度v2将达到音速a。将K

34、=1.4代入（2）得： （1.4.3）将（2）式代入（1）式得的表达式为： （1.4.4）3喷管中的实际流量前面（1.4.1）、（1.4.4）式给出理想流动的流量m表达式。实际上，由于气流与管壁的摩擦所产生的边界层，减少了流动截面积。因此，实际流量是小于理论流量。二者之比称为流量系数。本实验台是采用锥形入口孔板流量计来测量喷管的实际流量。根据孔板流量计上所显示的压差（在U形管压差计上读出）。求得流量m与压差的关系表达式为： （1.4.5）式中：几何修正系数（标定值）：U形管压差计读数（mmH2O）pa：大气压ta：室温流量也可以用图1.4.7给出的曲线查得。在实际的测试中，由于喷管前装有孔板流

35、量计，将有压力损失。对本实验台，损失等于压差计读数的97%。这样，进口压力p1为： （1.4.6）为了消除进口压力p1改变的影响，在绘制各种曲线时，采用压力比作坐标：压力曲线用x，流量曲线用。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（真空度）为： （1.4.7）将（1.4.3）式代入（1.4.7）式得： （1.4.8）最后将（1.4.6）式代入（1.4.8）式得：（一般p1p0） （1.4.9） 三、实验装置实验装置如图1.4.2所示，主要由真空泵和喷管实验台主体组成。由于真空泵的抽吸，空气由进气口2进入吸气管1（57×3.5的无缝钢管）中，经过孔板流量计3（7

36、）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，有渐缩喷管与缩放喷管两种型式，如图1.4.3、图1.4.4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0.8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，在坐标板上所指出的x值来确1.进气管 2.空气吸气口 3.孔板流量计 4.U形管压差计或压差传感器 5.

37、喷管 6 三轮支架7.测压探压针 8.可移动真空表 9.位移螺杆机构及位移传感器 10.背压真空表11.背压（罐前）调节阀 12.真空罐 13.软管接头 14.仪表箱15.差压传感器 16.背压传感器 17.移动压力传感器图1.4.1实验台总图定。喷管的排气上还装有背压pb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400的真空罐12是用于稳定背压pb的作用。为了减少振动，泵与罐之间用软管13连接。在实验中需要测量4个变量：测压探针7上测压孔的水平位置x；气流沿喷管轴线x截面上的压力px；背压pb；流量m。这4个变量可分别用位移指针的位置x，可移真空表8上的读

38、数pa，背压真空表10上的读数pb，及U形管压差计4上的读数测得。图1.4.3 渐缩喷管 图1.4.4 缩放喷管四、实验步骤1、用坐标校准器调好“位移坐标”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12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pb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口移动。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x曲线。4、再用罐前调节阀11逐次调节背压pb为不同的背压值。在各个背压值下，重复

39、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x（如图1.4.5、图1.4.6所示）。图1.4.5 渐缩喷管压力曲线5、摇动手轮8，使测压孔的位置x位于喷管出口外3040mm。此时真空表8上的读数为背压pb。6、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11调节背压pb，使它由全关状态逐渐缓慢开启。随背压pb的降低（真空度升高），流量m逐渐增大，当背压降至某一定值（渐缩喷管为pc，缩放管为pf）时，流量达到最大值mmax，以后，将不随pb的降低而改变。7、用罐前调节阀11重复上述过程，调节背压pb，每变化50 mm Hg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（mm H2O）

40、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和流量m（可用图1.4.7上给出的曲线求得流量m），在坐标纸上给出流量曲线（如图1.4.6 缩放喷管压力曲线图1.4.8、图1.4.9所示），进行分析。8、在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐前调节阀11，关闭罐后调节阀11，使罐内充气。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。图1.4.7 孔板流量计曲线kg/s图1.4.8 渐缩喷管流量曲线（当p1=1bar，ta=20）图1.4.9 缩放喷管流量曲线（当p1=1bar，ta=20）装

41、 订 线课程名称： 学 院： 专 业： 年 级： 姓 名： 学 号： 成 绩： 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ta，大气压pa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。在整理实验数据时，由于各种实验曲线都是以压力比（，）作坐标，因此必须将压力换算为相同单位进行计算。建议将所有数据填入如下两种形式的表1.4.2和表1.4.3中。表1.4.2 压力px变化读数 x(mm)051015202530354045505560 px(mmHg)Pb(mmHg)050100150200250300350400450500550600650700表1.4.3 测

42、流量的压差计读数Pb(mmHg)050100150200250300350（mm H2O）Pb(mmHg)400450500550600650700（mm H2O）装 订 线六、思考题1.实验测定结果和理论计算有什么不同？试分析。1.5 压气机性能实验一、实验目的1. 了解活塞式压气机的工作原理及构造，理解压气机的几个性能参数的意义。2. 熟悉用微机测定压气机工作过程的方法，采集并显示压气机的示功图。3.了解造成压气机实际循环与理想循环之间差异的原因。4. 根据测定结果，确定压气机的指示功Wc、指示功率P、多变压缩指数n、容积效率v等性能参数，或用面积仪测出示功图的有关面积并用直尺量出有关线段

43、的长度，也可得出压气机的上述性能参数。二、实验设备1.本实验台主要由活塞式压气机和与其配套的电动机以及测试系统所组成，测试系统包括压力传感器、位移传感器、动态应变仪、A/D板、微机等，如图1.5.1所示。1.计算机；2.电机；3.排气阀；4.压力表；5.应变式压力传感器；6.压气机；7.电磁传感器；8.电源指示灯；9.电源开关；10.电阻应变放大器；11.A/D板；12.增益旋钮；13.调零旋钮；14.指针式电压表图1.5.1 计算机数据采集压气机实验装置示意图 其中： 压气机的型号：Z0.036/7B型 气缸直径： D=50mm 活塞行程： L=20mm 连杆长度： H=70mm 转 速：

44、n=1400r/min 压力传感器的型号：灵敏度：11.5 mV/V工作温度：-10±60 桥路电阻：350允许过载能力：50%额定值激励电压：最大值15V，AC/DC 推荐值10V，AC/DC为获得反映压气机性能的示功图，在压气机气缸上安装了一个应变式压力传感器,供实验时输出气缸内的瞬态压力信号, 该信号经桥式整流以后送至动态应变仪放大；对应着活塞上止点的位置，在飞轮外侧粘帖着一块磁条，从电磁传感器上取得活塞上止点的脉冲信号，作为控制采集压力的起止信号，以实现压力和曲柄转角信号的同步。这两路信号经放大器分别放大后送入A/D板转换为数值量，然后送到计算机，经计算处理便得到了压气机工作

45、过程中的有关数据及封闭的示功图（图1.5.2）和展开的示功图（图1.5.3）。图1.5.2 压气机封闭的示功图 图1.5.3压气机展开的示功图根据动力学公式，活塞位移量x与曲柄转角有如下关系：式中： =R/LR曲柄半径；H连杆长度；曲柄转角。2. 面积仪的使用面积仪是一种测量平面封闭图形面积的工具，我们根据经过计算机处理得到的活塞式压气机的封闭示功图，再利用面积仪计算压气机的指示功，平均压缩指数和平均膨胀指数。极式面积仪的结构如图1.5.4所示。它由描臂、极臂2和滑架3等部件组成。极臂一端有重块4，下部有极针5（用于固定测面仪的位置），另一端用活动铰支点6与滑架连接。描臂的一端有描针7。测量示

46、功图面积时，描针要沿示功图曲线顺时针方向移动。滑架可在描臂上移动，用于调节描臂长度，使其与待测面积的比例尺相适应。滑架上有测轮8，记录轮9和游标10。测轮和记录轮之间用蜗轮蜗杆传动。1.描臂；2.投臂；3.滑架；4.重块；5.极针；6.活动铰支点；7.锚针；8.测轮；9.记录轮；10.游标；11.示功图纸；图1.5.4 面积仪的校正当描针沿被测面积的边线移动时，测轮随之滚动的弧长和被测面积的大小成正比。因此，当描针沿被测面积移动一圈后，就可以直接从测轮的计量机构上读出所测面积的数值。面积仪读数：测轮转一周记录轮转一格。测轮分为10大格，每大格又分为10小格。游标上亦有10格，这10格的总长度与测轮的9小格长度相等。利用这套计量机构可读出四位数字。三者的读数关系如下：游标上一格相当于 10mm2测轮上一小格相当于 100mm2测轮上一大格相当于 1000mm2记录轮上一大格相当于10000mm2面积仪的使用方法（1）将待测示功图用胶纸固定在平整的绘图板上。（2）根据图形大小，移动滑架调节描臂长度，以选取适当的比例（对示功图通常取1：1，此时描臂长34cm）。（3）把极针固定在适