工程热力学实验指导书

《工程热力学》试验指导书

喷管特性试验一、试验目的1、验证并进一步加深对喷管中气流根本规律的理解，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、比较娴熟地把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，其出口处的压力不行能低于临界压力，流速不行能高于音速，流量不行能大于最大流量。二、试验装置喷管试验台4.U.支架.手轮螺杆机构三、试验原理1、喷管中气流的根本规律

渐缩喷管dA(M21)dc

，来流速度M1，喷管为渐缩喷管(dA0.A c2、气流淌的临界概念当某一截面的流速到达当地音速〔亦称临界速度〕时，该截面上的压力称为临界压力〔p 。临界压力与喷管初压〔p〕之比称c 1为临界压力比，有：pcp1当渐缩喷管出口处气流速度到达音速，通过喷管的气体流量便到达了最大值〔 m ，或称为临界流量。可由下式确定：maxmmax

A2k2k22k1k1k1p11式中：Amin—最小截面积〔19.625m。3、气体在喷管中的流淌渐缩喷管因受几何条件(dA0)的限制，气体流速只能等于或低于音速〔Ca；出口截面的压力只能高于或等于临界压力〔p2pc；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量〔mmax。依据不同的背压〔pb，渐缩喷管可分为三种工况：A—亚临界工况〔pbpc，此时m<mmax, p2pbpcB—临界工况〔pbpc，此时m=mmax, p2pbpcC—超临界工况〔pbpc，此时mmmax, p2pcp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、翻开罐前的调整阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。一切正常后，全开罐后调整阀，翻开冷却水阀门。而后启动真空泵；3、测量轴向压力分布：用罐前调整阀调整背压至肯定值〔见真空表读数5mm便停顿下来，记录该点的位置及相应的压力值，始终测至喷管出口之外；4、流量的测量：把测压探针的引压孔移至出口截面之外，翻开罐后调整阀，关闭罐前调整阀，启动真空泵，然后用罐前调整阀调50mmHg柱，稳定后记录背压值和U形管差压计的读数。当背压上升到某一值时，U形管差压计的液柱便不再变化〔即流量到达了最大值，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、翻开罐前调整阀，关闭罐后调整阀，让真空罐充气；3分钟后停真空泵并马上翻开罐后调整阀，让真空泵充气〔目的是防止回油，最终关闭冷却水阀门。工况工况背压真空表读数背压值测点序号1测点位置〔mm〕移动真空表读数测点压力值临界 2状态 3456789123亚 4临界 5状 6态7891123超临界状态456789序号序号工程背压真空表读数12345678910背压值U型管差压计的读数实际流量五、数据处理1、压力值确实定真空度换算成确定压力值p：pp pa (v)式中： pa

—大气压力〔mmbar〕；p —用真空度表示的压力。(v)由于喷管前装有U形管压力计，气流有压力损失。本试验装置的压力损失为U形管差压计读数〔p〕97%。因此，喷管p1

p 0.97papc

0.58p1

p

c(v)

0.0472pa

计算时，式中各项必需用一样的压力单位〔大致推断，p 约为380mmHg柱。c(v)2、喷管实际流量测定由于管内气流的摩擦而形成边界层，从而削减了流通面积。因此，实际流量必定小于理论值。其实际流量为：pm1.7310p

〔kg/s〕ppa—流速膨胀系数，12.873ppapt 273aapt 273aa—几何修正系数〔约等于1；Δp—U型管差压计的读数〔mmHg〕；t —室温〔℃；ap —大气压力〔mmbar〕。a六、试验报告要求p1、以测点位置〔x〕为横坐标，以p1p

为纵坐标，绘制不同工况下的压力分布曲线。2、以压力比

b为横坐标，流量m为纵坐标，绘制流量曲线。p1试验三空气在喷管中流淌性能测定试验一、试验目的：1、验证和加深理解喷管中气体流淌的根本理论。2、观看气流在喷管中各截面的流速，流量，压力变化规律及把握有关测试方法。3、生疏不同形式喷管的机理，加深对流淌的临界状态根本概念的理解。二、试验原理：1、喷管中气体流淌的根本规律Ma渐缩管dAdx0Ma渐扩管dAdx0C，密度Ma渐缩管dAdx0Ma渐扩管dAdx0dcdxddxdpdxdcdxddxdpdx<1>0<0<1<0>0>1<0>0>1>0<0dA在亚音速〔Ma<1〕等熵流淌中，气体在

0的管道〔渐缩管〕C增加，而密度PdA

0的dx dx管道〔渐扩管〕里，速度C减小，而密度ρ，压力P增大。在超音速〔Ma>1〕等熵流淌中，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。在Ma=1，即到达临界流淌状态，此时，压力为临界压力，气流速度为音速。2、喷管中流量的计算理论流量：0 0 1VP2PP1(2)0(2)02P10011P1ACq 2 2A

〔kg/s〕式中： —绝热指数0

m V 22C—出口速度m/s A—出口截面积m22 2V—出口比体积〔m3/kg〕 P—出口压力〔MPa〕2 2P—进口压力〔MPa〕 V—进口比体积〔m3/kg〕1 1假设：P=P时q 0 P=0时 q 0，即在0＜P≤P渐缩喷管的出口压力P或缩放喷管的喉部压力P 降至临界压力时，1 2 m 2 m 2 c 2 th喷管中的流量达最大值，计算式如下：qm,max

A222200 (10k1P1V12 0临界压力P

P(

01P将

=1.4代入P=0.528Pc c、实测流量

1 1 0 c 10由于气流与管内壁间的摩擦产生的边界层削减了流淌截面由于实际流量是小于理论流量本试验台承受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 与压差△P的关系式为：mq 1.373104m

〔kg/s〕PP——流量膨账系数11.373104PaPt Pt 273.15aa——气态修正系数,

0.0538——几何修正系数,〔标定值〕△P——U型管压差计读数〔mm.HO〕2Pa——大气压t——室温℃a为了消退进口压力P转变的影响，在绘制各种曲线时承受压力比做座标，绘制出压力曲线P/P——X和流量曲线1 x 1由于试验台承受的是真空表测压、因此临界压力Pc在真空表上的读数

q ——P/Pm b 1PPPP0.528Pc a c a 1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：P以汞柱为单位时的孔板流量计压差

PP1 H

0.97P三、试验装置

P H2O(mmHg)13.59试验装置总图如图1所示。主要由真空泵和喷管试验台主体组成。各部件作用及测量过程如下：图1 试验台总图图2 渐缩喷管图3 缩放喷管21〔φ57×3.5的无缝钢管〕3〔φ7〕进入喷管。流量的大小可由U4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。可依据试验要求，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φ0.87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97沿喷管轴线左右移动，从而转变测压孔的位置，进展喷管中不同截面上压力的测量。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Pb真空表10111211用于急速调整。直径为φ40012是用于稳定背压Pb的作用。为了削减振动，泵与罐之间用软管13连接。试验中需测量41〕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Px3〕背压P〔〕流qm4个变量可分别用位移指针的位置x8P510PbU4上的读数△P测得。特别需要留意的是P5和P6是真空度，计算和绘制曲线时要换算成确定压力。四、试验步骤1、用座标校准器调准“位移座标”的基准位置。然后留神地装上要求试验的喷管〔留意：不要碰坏测压探针〕翻开调压阀11。2、检查真空泵的油位，翻开冷却水阀门，用手轮转动飞轮1-2圈，检查一切正常后，启动真空泵。31111′调整背压Pb9使测压孔位置x5mm8上的读数〔真空度。这样将测得对应于某一背压下的一条Px/P1—X曲线。4、再用罐前调整阀11′逐次调整背压Pb，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/P—〔如图，图6所示。qm×103[xg/s]图4 渐缩喷管压力曲线59，使测压孔的位置x30-40mm8上的读数为背压P。b6、全开罐后调整阀1，用罐前调整阀1’调整背压P，使它由全关状态渐渐慢开启。随背压P降低〔真空度上升，流量q 逐b b m渐增大，当背压降至某肯定值〔渐缩喷管为P，缩放喷管为P〕时，流量到达最大值q, ，以后将不随Pc f mmax

的降低而转变。7、用罐前调整阀11’重复上述过程，调整背压Pb，每变化50mmHg一停，登记真空表10上的背压读数和U4上的压差△P〔mmHO〕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2Pb/P1和流量qm在座标纸上绘出流量曲线〔57所示。图6 缩放喷管压力曲线图5 渐缩喷管流量曲线〔当p1

0.1MP,t1

20℃〕图7 孔板流量计mp曲线8、在试验完毕阶段真空泵停机前，翻开罐调整阀1111，使真空泵充气。以防止真空泵回油。最终关闭冷却水阀门。五、数据记录与整理试验中应认真做好原始数据记录〔包括：室温t，大气压P及试验日期〕如觉察试验结果消灭较大误差，应认真分析查找缘由。s a在整理时，由于各种试验曲线都是以压力比〔P<P，P<P〕作座标，因此必需将压力换算为一样单位进展计算。a 1 b 1建议全部数据如下两种形式的表格中。六、思考题〔试验结果局部，结合图表答复〕1、渐缩喷管出口截面压力〔〕低于临界压力；(a)有可能(b)不行能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〔 〕充分膨胀有可能 (b)不行能3、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力〔 〕充分膨胀(a)肯定 (b)不肯定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/P>0.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而〔 〕1流经缩放喷管的气体流速随背压降低而〔 〕当P/P<0.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而〔 〕b 1流经渐缩喷管的气体流速随背压降低而〔 〕6、当P/P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？b 17、为什么P/P<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？b 1渐缩喷管流量测量原始记录及数据处理

编号：No12背压压差进口压力压力比PbvPb△HP1P/P膨胀系数b 1实测流量qmSMPaMPammHO2MPa理论流量qmLg/s2背压压差进口压力压力比PbvPb△HP1P/P膨胀系数b 1实测流量qmSMPaMPammHO2MPa理论流量qmLg/s相对误差%缩放喷管流量测量原始记录及数据处理

编号：No21 1 R287 J/kg.k A2

1.256105 m2 T背压背压压差进口压力压力比PbvPb△HP膨胀系数1P/Pb 1实测流量qmSMPaMPammHO2MPa理论流量qmLg/s相对误差%试验三空气在喷管中流淌性能测定试验记录试验时间： 班号： 姓名：同组人：21 1 R287 J/kg.k A1.256105m2 T2渐缩喷管流量测量原始记录及数据处理表背压背压压差进口压力压力比膨胀系数实测流量bvb1b 1mSqmLg/s相对误差PP△HPP/Pq%MPaMPammHO2MPa试验三空气在喷管中流淌性能测定试验记录试验时间： 班号： 姓名：同组人：21 1 R287 J/kg.k A1.256105m2 T2缩放喷管流量测量原始记录及数据处理背压背压压差进口压力压力比膨胀系数实测流量bvb1P/Pb 1mSqmLg/s相对误差PP△HPq%MPaMPammHO2MPa一、试验目的1、了解CO2

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关系测定试验临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的生疏；2、增加对课堂所讲的工质热力状态、分散、汽化、饱和状态等根本概念的理解；3、把握CO2

的p-v-t关系的测定方法，学会用试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。二、试验设备整个试验装置由压力台、恒温器和试验台本体及其防护罩等三大局部组成三、试验原理

试验台本体1.2.3.4.5.6.填料压盖8.9.CO210.温度计碳柱的高度来测量，而后再依据承压玻璃管内径截面不变等条件来换算得出。CO2

20℃，9.8MPa时的比容〔20℃，9.8Mpa〕=0.00117m3·㎏20℃，9.8Mpa时的CO2

液柱高度Δh

〔m〕0 hA∵

〔20℃，9.8Mpa〕= 0 0.00117m3/kgmm h∴ 0 K(kg/m2)A 0.00117式中：K——即为玻璃管内CO的质面比常数2所以，任意温度、压力下CO

的比容为： h h

〔m3/kg〕2式中：Δh=h-h0

m/A Kh——任意温度、压力下水银柱高度h0——承压玻璃管内径顶端刻度四、试验步骤1、关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台油杯上的进油阀，摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力台油缸中抽满了油，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，使本体充油。如此交复，直至压力表上有压力读数为止。230～50mm。检查并接通电路，启动水泵，调整温度旋扭设置所要调定的温度。3、测定低于临界温度t=20℃时的等温线。将恒温器调定在t=20℃，并保持恒温；压力从4.41Mpa开头，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准；依据适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa；留意加压后CO2的变化，特别是留意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。将测得的试验数据及观看1。4、测定临界参数，并观看临界现象。按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容c1；、观看临界现象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象临界温度以下时那样渐渐积存，需要肯定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍有变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。b〕C2具有共同参数p,v,，因而不能区分此时C2是气态还是液态。假设说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；假设说它是液体，那么，这个液体又是接近气态的液体。下面就来用试验证明这个结论。由于这时处于临界温度，假设按等温线过程进展，使CO2压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。现在，我们按绝热过程来进展，首先在压力等于7.64Mpa四周，突然降压，CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2消灭明显的液面。这就是说，假设这时管内的CO2是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又马上消逝了。这就告知我们，这时CO2液体离气区也是格外接近的，可以说是接近气态的液体。既然，此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点四周。可以这样说：临界状态到底如何，就是饱和汽、液分不清。这就是临界点四周，饱和汽、液模糊不清的现象。5、测定高于临界温度t=50℃时的等温线。将数据填入原始记录表1。五、试验结果处理和分析1t=20t=20℃t=31.1℃〔临界〕t=50℃p(Mpa)Δhv=Δh/K现象p(Mpa)Δhv=Δh/K现象p(Mpa)Δhv=Δh/K现象进展等温线试验所需时间进展等温线试验所需时间分钟分钟分钟11的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。2、将试验测得的等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及缘由。3、将试验测得的饱和温度和饱和压力的对应值与书中的ts ps曲线相比较。4、将试验测定的临界比容 与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其缘由。c临界比容V[m3/Kg] 表2标准值试验值标准值试验值V=RT/Pcc cV=3/8cRT/Pc0.00216一、试验目的

〔二〕饱和蒸汽观测及P－T关系测定试验1、通过观看饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而树立液体温度到达对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的根本概念；2、通过对试验数据的整理，把握饱和蒸汽 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、能观看到小容积和金属外表很光滑〔汽化核心很小〕的饱态沸腾现象。二、试验设备三、试验方法与步骤

1试验设备简图1.压力表〔－0.1～0～1.5Ma〕2.排气阀3.4.可视玻璃及蒸汽发生器5.电源开关6.电功率调整7.温度计〔100～250℃〕8.可控数显温度仪9.电流表1、生疏试验装置及使用仪表的工作原理和性能；2、将电功率调整器调整至电流表零位，然后接通电源；3、调整电功率调整器，并缓慢渐渐加大电流，待蒸汽压力升至肯定值时，将电流降低0.2安培左右保温，待工况稳定后快速记录下水蒸气的压力和温度。重复上述试验，在0～1.0Ma〔表压〕6次，且试验点应尽量分布均匀；4、试验完毕后，将调压指针旋回零位，并断开电源；5、记录室温顺大气压力。四、数据记录和整理1、记录和计算：饱和压力饱和压力[Ma]试验次数饱和温度[℃]温度计误差压力表读值P’大气压B确定压力P=P’+B读值t’理论值tttt”[℃]tt100%[%]备注1234562、绘制P—t关系曲线：将试验结果点在坐标上，去除偏离点，绘制曲线。温温度[℃]压力〔绝〕 [Ma]3、总结阅历公式：

2饱和水蒸气压力和温度的关系曲线将试验曲线绘制在双对数坐标纸上，则根本呈始终线，故饱和水蒸气压力和温度的关系可近似整理成以下阅历公式：t 1004P温温度[℃]压力〔绝〕[Ma]3饱和水蒸气压力和温度的关系对数坐标曲线五、留意事项1、试验装置使用压力为1.0M〔表压，切不行超压操作。试验二二氧化碳临界状态观测及P--t试验时间： 班号： 姓名：同组人：PMPaPMPaT=20℃hmmHO2k=hk现象PMPaT=31.1℃hmmHO2k=hT=50℃k=hk现象PMPahmmHO2k现象试验时间试验时间试验时间试验时间试验四二氧化碳饱和温度、饱和压力关系测定一、试验目的1、观看二氧化碳的相变过程，增加相变过程的感性生疏；2、强化对克劳修斯—克拉贝隆方程的理解；3、学生自己拟定试验方案并完成试验，培育其独力进展试验的力量。二、试验要求纯物质在进展相变时，饱和温度与饱和压力之间具有确定的对应关系，饱和压力是饱和温度的单值函数。请利用试验二的试验台，25。一、试验目的

〔三〕气体定压比热测定试验1、把握气体定压比热的测量原理及其测量装置；2、把握本试验中测温、测压、测热、测流量的方法；3、把握由根本数据计算比热值和比热公式的方法。二、试验装置〔如图2-1〕所示本试验装置由风机、流量计、比热仪主体、调压器和功率表等组成。试验时，被测空气由风机经流量计送入比热仪主体，经加热、均流、旋流、混流后流出。比热仪主体构造如图2－2