噴管

實驗一噴管特性實驗

1、實驗內容

1.1

測定不同工況（初壓

p

1

不變，改變背壓

p

b

）時氣流在噴管中的流量

q

m

，繪制

q

m

?pb

曲線，比較最大流量

q

m

max

的計算值和實測值，確定臨界壓力

p

c

。

1.2

測定不同工況下氣流沿噴管各截面（噴管軸線位置

x

）壓力

p的變化，繪制出一組

p?x

曲線，分析比較臨界壓力

p

c的計算值和實驗值，觀察和記錄臨界壓力出現在噴

管中的位置。

2、實驗要求

2.1驗證并進一步加深對噴管中氣流基本規律的理解，牢固樹立臨界壓力、臨界流速和最

大流量等噴管臨界參數的概念。

2.2

比較熟練地掌握用熱工儀表測量壓力（負壓）、壓差及流量的方法。

2.3

重要概念1的理解：應明確在漸縮噴管中，其出口處的壓力不可能低于臨界壓力，流

速不可能高于聲速，流量不可能大于最大流量。

2.4

重要概念2的理解：應明確在縮放噴管中，其出口處的壓力可以低于臨界壓力，流速

可高于聲速，而流量不可能大于最大流量。

3、實驗儀器與設備

本系統由實驗臺本體、真空泵、數據采集系統（電測儀器、傳感器集線盒、采集與程

控機箱）計算機等組成。其中傳感器集線盒、采集與程控機箱、計算機并口由計算機打印共

享線連接。

實驗臺由進氣管、孔板流量計、噴管、測壓探針真空表及其移動機構、調節閥、真空罐

等幾部分組成，見圖1。

進氣管（1）為573.5無縫鋼管，內徑50。（2）空氣自吸氣口進入進氣管，流過

孔板流量計。（3）孔板孔徑7，采用角接環室取壓。（4）U形管壓差計，流量的大小可從U

形管壓差計讀出。（5）噴管用有機玻璃制成。配給漸縮噴管和縮放噴管各一只，見圖2、圖

3。根據實驗的要求，可松開夾持法蘭上的固緊螺絲，向左推開進氣管的三輪支架（6），更

換所需的噴管。噴管各截面上的壓力是由插入噴管內的測壓探針（7）（外徑1.2）連至“可

移動真空表”（8）測得，它們的移動通過手輪～螺桿機構（9）實現。由于噴管是透明的，

測壓探針上的測壓孔（0.5）在噴管內的位置可從噴管外部看出，也可從裝在“可移動真

空表”下方的針在“噴管軸向坐標板”（在圖中未畫出）上所指的位置來確定。噴管的排氣

管上還裝有“背壓真空表”（10），背壓用調節閥（11）調節。真空罐（12）直徑400，

體積0.118m

3

，起穩定背壓的作用。罐的底部有排污口，供必要時排除積水和污物之用。為

減小震動，真空罐與真空泵之間用軟管（13）連接。

在實驗中必須測量四個變量，即測壓孔在噴管內不同截面的位置

x

、氣流在該截面上

的壓力

p

、背壓

p

b

、流量

q

m

，這些量可分別用位移指針的位置、可移動真空表、背壓真

空表以及U形管壓差計的讀數來顯示。

本實驗臺配套的儀器設備選型如下：

真空泵：1401型排氣量3200升/分

電測儀器包括負壓傳感器、壓差傳感器、位移傳感器，它們分別將可移動式真空表、U

型管壓差計、測壓探針在噴管內不同截面上的壓力轉換為電訊號輸入傳感器集線盒，然后在

計算機上直接得出實驗曲線。

圖1噴管實驗臺

1.感同身受是什么意思 進氣管2.空氣吸氣口3.孔板流量計4.U形管壓差計5.噴管6.三輪支架7.測壓探壓針

8.可移動真空表9.手輪螺桿機構10.背壓真空表11.背壓用調節閥12.真空罐13.軟管接頭

4、實驗準備

學生應預先閱讀并掌握以下實驗原理：

4.1噴管中氣流的基本規律

1）由能量方程：

?

q?dh?

1

2dc

2f

及

?

q?dh?

?

dp

可得

?

?

dp?c

f

dc

f

(1)

可見，當氣體流經噴管速度增加時，壓力必然下降。

2）由連續性方程：

A

1

?cf

1

?1

有

dA

A?

?

A

2

?cf

2

?2

?

dc

cf

k

f

????????

A?cf

?

?

常數

d?

?

及過程方程

p

?

常數

dpp

有

kd?

?

??

根據

?

?

dp?c

f

dc

f

c

fc

馬赫數

M?

，而

c?

dc

cf

kp

?

得：

dAA

?(Ma

2

?1)

f

(2)

顯然，當來流速度

Ma?1

時，噴管應為漸縮型

(dA?0)

；當來流速度

Ma?1

時，

噴管應為漸放型

(dA?0)

。

本實驗所涉及的噴管結構分別如圖2、圖3所示。

圖2漸縮噴管圖3縮放噴管

4.2氣體流動的臨界概念

噴管氣流的特征是

dp?0

，dc

f

?0

，

d

?

?0，三者之間互相制約。當某一截面的流

速達到當地聲速（亦稱臨界速度）時，該截面上的壓力稱為臨界壓力（

p

c

）。臨界壓力與噴

管初壓（

p

1

）之比稱為臨界壓力比，有：

??

p

c

p1

k

?

2

?

k?1

經推導可得：

?

?

?

(3)?

?

k?1?

對于空氣，

?

?0.528

當漸縮噴管出口處氣流速度達到聲速，或縮放噴管喉部氣流速度達到聲速時，通過噴管

的氣體流量便達到了最大值（

q

m

max

），或稱為臨界流量。可由下式確定：

2

q

m

max

?Amin

2k

?

2?

??

k?1

?

k?1?

k?1

?

p1

?1

(4)

式中：

A

min—最小截面積（對于漸縮噴管即為出口處的流道截面積；對于縮放噴管即為喉部

處的流道截面積。本實驗臺的兩種最小流道截面積均為19.625mm

2

。

4.3氣體在噴管中的流動

1）漸縮噴管

漸縮噴管因受幾何條件

(dA?0)

的限制，由式（2）可知：氣體流速只能等于或低于聲

速（

c

f

?c

）；出口截面的壓力只能高于或等于臨界壓力（

p

2

?p

c

）；通過噴管的流量只

能等于或小于最大流量（

q

m

max

）。根據不同的背壓（

p

b

），漸縮噴管可分為三種工況，如

圖4、圖5所示：

A—亞臨界工況（

p

b

?p

c

），此時

q

m

<

q

m

max

p

2

?p

b

?p

c

B—臨界工況（

p

b

?p

c

），此時

q

m

=

q

m

max

p

2

?p

b

?p

c

C—超臨界工況（

p

b

?p

c

），此時

q

m

=

q

m

max

p

2

?p

c

?p

b

圖中虛線表示理想氣流，實線表示實際氣流。由于氣流有粘性摩擦，在壁面附近形成邊

界層。隨著流程x的延長，邊界層厚度加厚，減小了實際流通面積。所以，實際流量總是小

于理論流量。同時，邊界層的存在還使管內氣體壓力的分布發生一些變化。

2）縮放噴管

縮放噴管的喉部

dA?0

，因此氣流可以達到聲速（

c

f

?c

）；擴大段（

dA?0

），出口

截面的流速可超聲速(

c

f

?c

)，其壓力可低于臨界壓力（

p

2

?p

c

），但因喉部幾何尺寸的

限制，其流量的最大值仍為最大流量（

q

m

max

）。

氣流在擴大段能做完全膨脹，這時出口截面處的壓力稱為設計壓力（

p

d

）。縮放噴管隨

工作背壓不同，亦可分為三種情況：

A—背壓等于設計背壓（

p

b

?p

d

）時，稱為設計工況。此時氣流在噴管中能完全膨脹，

流量達到最大流量。在噴管喉部，壓力達到臨界壓力，速度達到聲速。在擴大段轉入超聲速

流動，出口截面的壓力與背壓相等（

p

2

?p

b

?p

d

）。

B—背壓低于設計背壓（

p

b

?p

d

）時，氣流在噴管內仍膨脹到設計壓力。當氣流一離

開出口截面便與周圍介質匯合，其壓力立即降至實際背壓值，流量仍為最大流量。

C—背壓高于設計背壓（

p

b

?p

d

）時，氣流在噴管內膨脹過度，其壓力低于背壓，以

至于氣流在未達到出口截面處便被壓縮，導致壓力突然升躍（即產生激波），在出口截面處，

其壓力達到背壓。激波產生的位置隨著背壓的升高而向噴管入口方向移動，激波在未達到喉

部之前，其喉部的壓力仍保持臨界壓力，流量仍為最大流量。當背壓升高到某一值時，將脫

離臨界狀態，縮放管便與文丘里管的特性相同了，其流量低于最大流量。

縮放噴管的流通特性如圖6、圖7所示。

5、實驗步三黃雞的做法 驟

分別對漸縮噴管和縮放噴管進行如下相同步驟:

5.1裝配樂朗誦音樂 好噴管。

5.2對真空泵做開車前檢查(檢查傳動系統、油路、水路)。檢查無問題后打開背壓調節閥，

用手轉動真空泵飛輪幾周，去掉氣缸中過量的油，開啟電動機，當達到正常轉速后可

開始實驗。

5.3測量軸向壓力分布：

1）把測壓探針的引壓孔移至進口截面之外，用罐前調節閥調節背壓至一定值（見真空

表讀數），并記錄下該值。

2）關注國內國際時事 轉動手輪，使測壓探針向出口方向移動。每移動一定距離（一般約2-3mm）便停頓

下來，記錄該點的坐標位置及相應的壓力值，一直測至噴管出口之外。把各個點描

繪到坐標紙上，便得到一條在這一背壓下噴管的壓力分布曲線。

3）若要做若干條壓力分布曲線，只要改變其背壓值并重復（1）、（2）步驟即可。

5.4流量曲線的測繪

1）把測壓探針的引壓孔移至出口截面之外，打開罐后調節閥，關閉罐前調節閥，啟動

真空泵。

2）用罐前調節閥調節背壓，每一次改變20—30mmHg柱，穩定后記錄背壓值和U型管壓

差計的讀數。當背壓升高到某一值時，U型管壓差計的液柱便不再變化（即流量已達

到了最大值）。此后盡管不斷提高背壓，但U型管壓差計的液柱仍保持不變，這時測2

—3點。至此，流量測量即可完成。

5.5接通電測儀器，分別記錄

q

m

?p

b

曲線和

p?x

曲線。

5.6停車。

實驗結束后的設備操作：打開罐前調節閥，關閉罐后調節閥，讓真空罐充氣；3分鐘后

停真空泵并立即打開罐后調節閥，讓真空泵充氣（目的是防止回油）。最后關閉冷卻水閥門。

5.7認真做好原始記錄。

1)設備數據記錄：設備名稱、型號、規格等。

2)常規數據記錄：當地大氣壓力、室溫、實驗環境狀況。

3)技術數據及繪制的圖形等記入附表內。

6、實驗注意事項

真空泵在停機前，先關閉真空罐出口的調節閥，讓真空罐充氣。關停真空泵后，

立即打開此閥（真空泵上裝有充氣閥的還可打開充氣閥），讓真空泵充氣。這樣做，一

方面防止真空泵回抽，以免損壞用非耐油橡膠制成的減震軟管。另方面有利于真空泵

下次的啟動。

7、實驗紀錄及報告

7.1數據處理

1）壓力值的確定

（1）本實驗裝置采用的是負壓系統，表上讀數均為真空度，為此須換算成絕對壓力

值（p）：

p?p

a

?p

v

（5）

式中：

p

a

—大氣壓力（mmbar）；

p

v

—真空度。

（2）由于噴管前裝有孔板流量計，氣流有壓力損失。本實驗裝置的壓力損失為U型

管壓差計讀數（

?p

）的97%。因此，噴管入口壓力為：

p

1

?p

a

?0.97?p

（6）

（3）由式（5）、（6）可得到臨界壓力

p

c

?0.528p

1，在真空表上的讀數（即用真空

度表示）為：

p

c(v)

?0.0472p

a

?0.51?p

（7）

計算時，式中各項必須用相同的壓力單位。（大致判斷，

p

c(v)

約為380mmHg）。

2）噴管實際流量測定

由于管內氣流的摩擦而形成邊界層，從而減少了流通面積。因此，實際流量必然小于理

論值。其實際流量為：

q

m

?1.373?10

?4

?p?

?

?

?

?

?

（kg/s）

式中：

?

—流速膨脹系數；

?

?1?2.873?10

?2

?p

pa

?

—氣態修正系數；

p

a

t

a

?273

?

?o.538

；

?

—幾何修正系數（約等于1.0）

p—U型管壓差計的讀數（mmH

2

O）；

t

a

—大氣溫度（℃）關于感恩的素材 ；

p

a

—大氣壓力（mbar）。

7.2實驗報告要求

實驗報告應包括實驗內容、實驗要求、實驗儀器與設備簡介、實驗原理、實驗步驟以

及實驗結果處理等內容。實驗原始數據應以表格形式匯總整理，必要時繪制實驗結果曲線。

實驗報告要求條理清晰，要求統一用A4打印紙，主要內容應用黑色筆手寫完成，嚴禁打印。

本實驗結果處理的具體要求為：

1）以測壓探針孔在噴管中的位置（x）為橫坐標，以

的壓力分布曲線。

2）以壓力比

p

b

p1

p

p1

為縱坐標，繪制不同工況下

為橫坐標，流量

q

m

為縱坐標，繪制流量曲線。

3）根據條件，計算噴管最大流量的理論值，并與實驗值比較。

8、思考題

1分析和比較用實驗和計算值分別繪病理學名詞解釋 出的漸縮噴管的壓力分布曲線以及流量分布曲線的差

異。

2分析和比較用實驗和計算值分別繪出的縮放噴管的壓力分布曲線以及流量分布曲線的差

異。