实验十热工学实验

1、实验十 渐缩(缩放)喷管内压力分布和流量测定一、实验目的1验证并加深对喷管中的气流基本规律的理解，树立临界压力，临界流速，最大流量等喷管临界参数的概念，把理性认识和感性认识结合起来。2对喷管中气流的实际复杂过程有概略的了解。3通过渐缩喷管气流特性的观测，要明确：在渐缩喷管中压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量仍不能大于最大流量。4根据实验条件，计算喷管（最大）流量的理论值，并与实侧值进行对比。二、实验设备本设备由2x型真空泵，PG型喷管（见图10-1）和计算机（控制与显示设备）构成。由于真空泵的抽吸，空气自吸气口2进入进气管1，流过孔板流量计3，流量的大小可以从U型管压差计4读出。

2、喷管5用有机玻璃制成，有渐缩、缩放两种型式（见图10-2、10-3），可根据实验要求，松开夹持法兰上的螺丝，向右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在其中，外径0.2mm的测压探针连至可移动真空表8测得，探针的顶封死，中段开有测压小孔，摇动手轮螺杆机构9，即可移动探针，从而改变测压小孔在喷管中的位置，实现对喷管不同截面的压力测量。在喷管的排气管上装有背压真空表10，排气管的下方为真空罐12，起稳定背压的作用，背压的高低用调节阀11调节。罐前的调节阀用作急速调节，罐后的调节阀作缓慢调节，为减少震动，真空罐与真空泵之间用软管13连接。在实验中必须观测四个变量：（1）测压

3、孔所在截面至喷管进口的距离x；（2）气流在该截面上压力P；（3）背压Pb；（4）流量m。这些变量除可分别用位移指针的位置、移动真空表，背压真空表及 U形管压差计的读数来显示读出外，还可分别用位移电位器、负压传感器、压差传感器把它们转换为电信号，由计算机显示并绘出实验曲线。位移电位器将在螺杆之旁，它实际上是一只滑杆变阻器。负压传感器和压差传感器分别装在真空表和U形管压差计附近，其内部结构为一直流电桥，压力和压差改变时将改变电桥中两臂的电阻，从而获得电桥的不平衡电压输出。为了使这些传感器可靠而稳定地工作，都由直流稳压电源供电。三、实验原理1喷管中气流的基本规律气流在喷管中稳定流动后，喷管任何截面上

4、的质量流量m均相等，有连续性方程：M=定值，kg/s （10-1）式中：A 截面积m2 C 气体流速m/ s 气体比容m3/kg 下标1 喷管进口 下标2喷管出口气体在喷管中作绝热膨胀，C1C2，工质为理想流体时，喷管的理论流量可按下式计算： （10-2）式中： k 绝热指数，对于空气k=1.4 P1 喷管进口压力（初压） N/ m2 P2 喷管出口压力 N/ m2喷管中气体状态参数P、和流动参数C的变化规律和流通截面积A的变化以及喷管前后的环境压力有密切关系，在某些条件下，气体在喷管中可能得到完全膨胀，在另一些条件下得不到完全膨胀，这样，喷管的出口截面压力P2有时等于，有时不等于喷管出口之外

5、的环境压力 背压Pb，为了了解其中关系，微分（10-1）式并作其他运算得： (10-3)式中： 当地音速m/ s显然，当来流速度M<1 时，喷管为渐缩喷管（dA<0）; 当来流速度M>1时，喷管为缩放喷管(dA>0）。喷管中气流的特征是dp0，dc>0，dv0，其间有相互制约关系。当某一截面流速C达到音速a（又称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力P，临界压力与喷管初压之比Pc/P1称为临界压力比，经计算： = （10-4）对于空气Pc/P1=0.5282.气体在喷管中的流动状况（1）渐缩喷管渐缩喷管因受几何条件dA0的限制，分析（10-3）式可知，流速不可能

6、高于音速，这样根据背压的不同，渐缩喷管可分为三种不同工况。 临界工况 Pb=Pc=P2 超临界工况 Pc=P2 > Pb （参看图10-4） 亚临界工况 Pb=P2Pc当渐缩喷管出口处气体速度达到音速时，或缩放喷管喉部气体速度达到音速时，通过喷管的气流流量便达到了最大值mmax(临界流量)，可用下式表示： (10-5)式中Amin指渐缩喷管的最小截面积，即出口截面积A2，对于本实验台渐缩喷管，其算得值为。（2）缩放喷管缩放喷管由于几何条件满足，喉部dA=0，流速可达到音速a, 即c=a，扩大段dA0，流速可超过音速，即ca，压力可低于临界压力，PPc，但其缩小段受到最大流量的限制，作为一

7、个整体，缩放喷管同样受这个限制。只要喉部达到临界状态，流量即可按（10-5）式计算，式中Amin为喉部截面积，对于本实验台缩放喷管喉部截面积其标称值也是11.44mm2。此外，在缩放喷管中，气流在扩大段能做完全膨胀，这时出口截面的出口压力成为设计压力（Pd）。根据背压的不同，亦可分为三种情况： 设计工况 P2= Pb= Pd 非设计工况 Pb < Pd 非设计工况 PbPd对于空气Pd/P1=0.138四、实验内容及要求1渐缩和缩放喷管各选二种工况，按实验步骤和表10-1、表10-2要求记录实验数据，通过计算，绘制压力分布曲线图。（参考图10-4、图10-6）2渐缩和缩放喷管各做一次流量

8、与背压Pb的关系测量，按表10-3、表10-4要求记录实验数据，通过计算绘制流量与背压的关系曲线。（参考图10-5、图10-7）3用计算机测控系统对上述1、2实验内容进行校验。（操作过程请详见计算机测控系统操作说明）五、实验步骤1 .实验前的准备用“坐标标准化器”调好“位移坐标板”的基础位置，然后装好要求实验的喷管，（操作要小心，不要碰坏测压探针）打开背压调节阀。检查真空泵的油位，打开冷却水，用手转动真空泵平衡轮1-2转，检查一切工作正常后，启动真空泵。2. 测压力分布曲线全开罐后调节阀，根据渐缩喷管和缩放喷管三种不同的工况，用罐前调节阀调节背压至一定值，摇动手轮（缓慢移动）将测压孔位置从喷管

9、进口处开始，每间隔5mm（要求高时，每间隔3 mm）一停，记下真空表8读数，换算成绝对压力，一直移到出口之外一段距离（大约10mm），整理数据，绘制压力分布曲线图。3测流量变化曲线全开罐后调节阀，把罐前调节阀全关闭，将测压孔移至喷管进口处( 根据实验要求)，此时真空表8所测压力为P1，真空表10所测压力为背压Pb。把处于全关闭状态的罐前调节阀（调节背压）逐渐缓慢开启，随着背压Pb的降低（真空度升高），流量自0逐渐增大，背压每变化0.01真空度一停，记下真空表8、10读数和U形管差压计读数，当背压降至某一定值时流量达到最大流量mmax保护不变，整理数据，绘制流量分布曲线图。4实验结束打开罐前调节

10、阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气，关停真空泵，立即打开罐后调节阀，让真空泵充气，以防止回油，最后关冷却水。六、实验要求1实验前，预习实验内容和有关知识并写预习报告。2. 实验报告中，原始数据表格不可少，并要完整，清楚。渐缩喷管压力分布测量实验原始数据记录表10-1大气压力Pa= 室温ta= P1= MPa (绝对压力)测压孔位置（自入口）xmm不 同 工 况 下 压 力（测压孔压力） PbPc （测压孔压力）Pb=Pc（测压孔压力） PbPc真空度MPa绝对压力MPa真空度MPa绝对压力MPa真空度MPa绝对压力MPa管内053035管外404550实验结果临界压力：Pc/P1 ；理论值（把0

11、.528作为真值）；测量值= ； 相对误差= ；实 验分 析缩放喷管压力分布测量实验原始数据记录表10-2大气压力Pa= 室温ta= P1= MPa (绝对压力)测压孔位置（自入口）xmm不 同 工 况 下 压 力（测压孔压力） PbPd （测压孔压力） Pb=Pd（测压孔压力） PbPd真空度MPa 绝对压力MPa真空度MPa绝对压力MPa真空度MPa绝对压力 MPa 管内05101520253035管外404550实验结果 设计工况压力比 :Pd/P1 ; 理论值Pd/P1（把0.138作为真值）; 测量值= 相对误差= 实 验分 析渐缩喷管流量测量实验原始数据记录表10-3大气压力Pa=

12、 室温ta= 喉部截面积Amin = 背压Pb孔板压差P初压P1理论流量m实测流量m真空度MPa绝对压力MPammH2O真空度MPa绝对压力MPakg/skg/s实 验结 果最大流量 mmaxkg/s理论值实测值实 验分 析缩放喷管流量测量实验原始数据记录表10-4大气压力Pa= 室温ta= 喉部截面积Amin = 背压Pb孔板压差P初压P1理论流量m实测流量m真空度MPa绝对压力MPammH2O真空度MPa绝对压力MPakg/skg/s实 验结 果最大流量 mmaxkg/s理论值实测值实 验分 析图10-1 实验台总图图10-2 渐缩喷管 图10-3 缩放喷管 图10-4 渐缩喷管压力曲线

13、图10-5 渐缩喷管流量曲线（当P1=1bar，t3=20）图10-6 缩放喷管压力曲线图10-7 缩放喷管流量曲线（当P1=1bar，t1=20）计算机测控系统操作说明 一、系统的特点：1功能较全，使用方便，采用了可视化界面，虚拟仪器的方法，数据采集过程全由计算机控制，达到数字显示绘图同步，调试过程简单、易掌握。2提供了offices的Excel接口。测量的数据可以形成Excel文件格式的报告，多条曲线可以显示在同一坐标内，随时存贮、打印、调用、处理数据、幅面任意选取，极为方便。3连接简单，由于利用了计算机打印并口作为数据采集与控制通路，不再需要专用的数据采集卡，因而不必打开计算机机箱，同时

14、也克服了计算机数据采集卡兼容性的问题。二、测控系统的组成：本系统由喷管本体、传感器集线盒、采集与程控机箱、计算机四部分组成。其中传感器集线盒、采集与程控机箱、计算机并口由计算机打印共享线（DB25M）连接。系统组成框图10-8如下：图10-8 系统组成框图1 本体的构成：图109 喷管本体总图1入口段 2U型管压差计 3孔板流量计 4喷管 5真空表 6支撑架 7稳压罐 8罐前调节阀 9罐后调节阀 10橡胶连接管 11坐标尺板 12探针取压移动构机 13真空泵 14 冷却水阀2传感器集线盒的组成：传感器集线盒由传感器集线盒面板和内部集线电路板构成（下图）。传感器集线盒面板 传感器内部集线电路板示

15、意图（位移插座、负压插座、压差插座均为四芯航空插座）3采集与程控机箱的组成如下：采集与程控机箱背板示意图采集与程控机箱面板示意图三、本系统所用到的公式：1压力测量公式 P=PaPv P1=PaPv0 Pa 标准大气压。 Pv负压传感器测量出的喷管探针处真空度。Pv0喷管入口处的真空度。P1喷管入口处的绝对压力值。X位移传感器测出的位移。 2流量测量公式:在常温、常压的环境下：m=4.38365×r××10-2（kg/s）其中： m 孔板流量计的流量P 孔板流量计孔的压差 （量纲为kPa）R 孔板流量计修正系数（经计量确认），r=1四、操作步骤在第一次使用本设备时，

16、需要安装喷管的本体以及相应的软件与硬件。1. 软件的装入过程：打开计算机，插入配套磁盘（或配置的光盘），双击setup.exe文件，按提示完成相应的功能，软件安装完成，会出现“软件安装成功”的提示。2. 硬件的安装或准备：安装喷管的本体时，需要检查U型压差计、孔板、喷管的密封情况，支撑架是否使系统处于水平。同时还要检查当“位移指示指针”对准“位移坐标板”的零刻度时，探针的测压孔是否正好在喷管的入口处。在开启真空泵前，打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘转1-2转，同时注意打开真空泵的冷却水阀。参见（图10-9）喷管本体总图。3. 馈线的连接断开电源，将“位移传感器”、“负压传感器”、“压差传感器

17、”的4芯航空插座分别连接到“传感器集线盒”面板相应的航空插座上。DB25-25针连接电缆分别接到“传感器集线盒”面板与“采集与程控机箱”背板右边的插座上，以及另一根DB25-25针连接电缆接到“采集与程控机箱”背板左边的插座与计算机上。注意两根DB25-25针连接电缆不得接错，否则可能烧毁设备。请参见采集与程控机箱背板示意图。4. 测量软件的进入：完成以上操作步骤以后，打开电源，运行喷管实验分析软件，在首页闪动的字体“喷管实验分析”的字符上，按下鼠标右键，出现提示菜单，进入“测试控制面板”。第一次测量时，如图10-11所示，（需要作传感器的零点与标定系数的标定，具体的标定方法，参见传感器的零点

18、与标定系数的标定，通常新购全套设备在出售前已设置好，无需用户重新标定传感器标定系数，不过传感器的零点通常在测量前需要与过去所调整的零点值进行比较，若需要调整可以通过图10-10所示的负压调零与压差调零电位器来加以调整。调整后的数据请输入到相应的对话框中，若要保存这些数据，需输入授权修改口令，然后选择对应的“记忆按钮”。）图10-10五、位移压力曲线的测量1. 计算机进入测量“压力位移曲线”界面，按下电机控制开关按钮，使“位移指示指针”对准“位移坐标板”的零刻度。2. 开启真空泵，调整罐前的调节阀，使喷管的背压为某个值。按下数据采集开关，这时，压力位移曲线会随着电机的运转渐渐的在计算机屏幕中显示

19、出来，同时，还会显示当前的位移值与负压值。当水平位移值达到50毫米时，电机会自动停止。并给出相应的提示、请参见图10-11。图10-113.若按下“保存数据”按钮，整条曲线数据，将会保存起来。4.若按下“暂存曲线”按钮，整条曲线会被暂存起来，这样做的目的是为了在同一坐标下显示多条曲线。5.若按下“制作报告”按钮，当前所有的实验参数和测量数据将会在Excel显示出来，参考图10-12。六、压力流量曲线的测量1 计算机进入测量“压力流量曲线”界面。按下电机控制开关按钮，将“位移指示指针”移至“位移坐标板”大于40毫米刻度处。2. 逐渐关闭罐后的调节阀，按下数据采集开关，这时，压力流量曲线会随着压力

20、调节阀渐渐的关闭在计算机屏幕中显示出来，同时，还会显示当前的压差值与流量值。3. 当罐后的调节阀关闭时，屏幕上会显示一条完整的压力流量曲线。参见图10-13。图10-12 测量数据在Excel显示图10-13 压力流量曲线实验十一 二氧化碳临界状态观察Pvt关系实验一、实验目的1通过实验了解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加深对课堂所讲的工质的热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。3掌握CO2的Pvt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、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。二、实验内容1测定CO2的Pvt关系。在

21、Pv坐标图中绘出低于临界温度（t=20），临界温度（t=31.1）和高于临界温度（t=50）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析差异原因。2测定CO2在低于临界温度时（t=20，25，27）饱和温度与饱和压力之间的对应关系并与图11-4中绘出的tsPs曲线比较。3观测临界状态。（1）临界状态附近汽液两相模糊的现象。（2）汽液整体相变现象。（3）测定CO2的tc，pc，vc待临界参数并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比较，简单分析差异原因。三、实验设备及原理1整个实验装置由压力台、水恒温器和试验本体及其防护罩三大部分组成，如图11-1所示，每个部

22、分都是一个独立的整体，并完成一项工作。 活塞式压力计是由阀门、油杯进油阀、活塞缸等组成。它的主要作用是产生高压力，使试验本体中的水银上升，显示不同的数值，供实验所用。 水恒温器是由搅拌电机，电接点温度计、加热器和电器部分等组成。其主要作用是将蒸馏水加热到实验所需的温度，并能保持该温度基本不变（即恒温）。通过压力泵将蒸馏水送入试验本体中的玻璃管中，经不断循环，使玻璃管中的水和恒温器中的水基本保持温度一致，以满足实验的需要。 试验台本体是由承压管、日光灯、防护罩等组成。其主要作用是将活塞式压力计传递过来的压力，迫使水银上升，压缩承压试管里的CO2气体在不同的温度下变成液体并显示数据，供数据处理用。

23、更重要的是，实验中所需要观测的一些现象都在此试验本体中的承压管里。图11-1 CO2试验台系统图2试验台本体如图11-2所示，其中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；9CO2空间；10温度计。3对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数p，v，t之间有：F（p，v，t=0） 或t=f（p，v）（11-1）本试验就是根据式（11-1），采用定温方法来测定CO2的pv之间的联系，从而找出CO2的Pvt的关系。4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，迫使水银进入予先装了CO2气体的承压玻璃管内，这时CO2被压缩，其压力

24、和容积的变化是通过压力台上活塞杆的进、退来调节，温度由水恒温器所供给的水温来调节。5实验工质CO2所承受的压力由装在压力台上的压力表读出，温度由插在恒温水套中的温度计读出，比容首先由承压玻璃管内CO2柱的高度来度量，然后再根据承压玻璃管内径均匀，截面积不变等条件换算得出。图11- 2 试验台本体四、实验步骤1按图11-1装好试验设备，并开启试验本体上的日光灯。2使用水恒温器调定温度。（1）把蒸馏水注入水恒温器内，请注意，不能注满，应离上板面20-30mm，检查并接通电路，开启电源开关，观看电源指示灯是否亮，等电源指示灯亮了以后，再开启电泵开关，以及电加热器开关，给恒温器中的蒸馏水加热。（2）旋

25、转电接点温度计顶端帽形磁铁调动凸轮转示标，使凸轮转示标上端面与所调定的温度一致，并将帽形磁铁用螺钉锁紧，以防转动。 （3）仔细观看恒温器上的玻璃温度计数值，同时再看一看试验台本体上的温度计数值是否与它一致（可能有点误差，环境因素造成）。当水温未到要调定的温度时，恒温器指示灯亮，当指示灯时亮时灭时，说明温度已达到所需温度，这时可以开始做实验。（4）当需要改变实验温度时，重复（2）（3）两步骤即可。3加压前的准备因为压力台的油缸容量比主容器容量小（实验所需的油量是试验本体所需油量与油表管路所需油量之和），所以需多次从油杯中抽油，不断向主容器充油，直到压力表上有压力数值显示为止。抽油、充油过程中要小

26、心操作，动作要慢，如有操作失误，不但压力加不上，同时还会损坏仪器，所以一定要掌握操作步骤。4加压步骤 关闭压力表及进入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯进油阀，如油不够，应加油。（10，20机油即可） 摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出，这时压力台的油缸中抽满了油。 先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。 摇进活塞螺杆，给本体充油，如此反复多次，直至压力表上有压力并能满足实验所需压力为止。 再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体的油路阀门是否开启，若均已稳定，即可进行实验。 5测定承压玻璃管内CO2的质面比常数k值。由于充进承压玻璃管内的CO2质量不便测量，而玻璃管内

27、径或截面积（A）又不易测准，因而实验中采用间接的办法来确定CO2的比容，认为CO2的比容与其高度是一种线性关系，具体如下： 已知CO2液体在20，9.80Mpa时的比容（20，9.80Mpa）=0.00117m3/kg。 实际测出本试验台CO2在20，9.80Mpa时的CO2液柱高度h（m）。（注意玻璃水套上刻度的标记方法） 由可知那么任意温度、压力下CO2的比容为式中: =hh0K 即为玻璃管内CO2的质面比常数h 任意温度、压力下水银柱高度h0 承压玻璃管内径顶端刻度6实验中应注意从下几点 做各条定温线时，实验压力p9.80 MPa，实验温度t50。 一般取h时，压力间隔可取0.20 0.

28、5MPa，但在接近饱和状态和临界状态时，压力间隔应取为0.05 MPa。 实验中取h时，水银柱液面高度的读数要准确，应使视线与水银柱半园型液面的中间平齐。7测定低于临界温度t=20时的定温线 用恒温器上电接点温度计调定、控制蒸馏水温度到20，并要保持恒温。 压力记录从4 MPa开始，当玻璃管内水银升起来，应足够缓慢地摇进活塞螺。 以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准。 按照适当的压力间隔取h值直至压力p=9.0MPa为止。 注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力与饱和温度的对应关系，液化、气化等现象，将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表11-1内(参考表) 测定t=25，t=27时，饱和温度与饱和压力的对应关系。8测定临界等温（t=31.1）线和临界参数，临界现象观察 仿照步骤7那样测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力p和临界比容，并将数据填入表11-1内。 临界现象观察a整体相变现象由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是像临界温度以下那样逐渐积累，