噴管實(shí)驗(yàn)裝置使用說明書

一、用途和特點(diǎn)
本實(shí)驗(yàn)臺主要用于《工程熱力學(xué)》教學(xué)中“噴管臨界狀態(tài)的觀察”實(shí)驗(yàn)。
1．可方便地裝上漸縮噴管或縮放噴管，觀察氣流沿噴管各截面的壓力變化。
2．可在各種不同工況下（初壓不變，改變背壓），觀察壓力曲線的變化和流量的變化，從中著重觀察臨界壓力和最大流量現(xiàn)象。
3．除供定性觀察外，還可作初步的定量實(shí)驗(yàn)。壓力測量采用精密真空表，精度0.4級。流量測量采用低雷諾數(shù)錐形孔板流量計(jì)，適用的流量范圍寬，可從流量接近為零到噴管的最大流量，精度優(yōu)于2級。
4．采用真空泵為動力，大氣為氣源。具有初壓初溫穩(wěn)定，操作安全，功耗和噪聲較小，試驗(yàn)氣流不受壓縮機(jī)械的污染等優(yōu)點(diǎn)。噴管用有機(jī)玻璃制作，形象直觀。
5．采用一臺真空泵，可同時(shí)帶兩臺實(shí)驗(yàn)臺對配給的漸縮、縮放噴管做全工況觀測。因裝卸噴管方便，本實(shí)驗(yàn)臺還可用作其他各種流道噴管和擴(kuò)壓管的實(shí)驗(yàn)。
二、設(shè)備結(jié)構(gòu)
整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)臺、真空泵。
實(shí)驗(yàn)臺由進(jìn)氣管、孔板流量計(jì)、噴管、測壓探針真空表及其移動機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、真空罐等幾部分組成，見圖1。

圖1噴管實(shí)驗(yàn)臺
1.進(jìn)氣管 2. 空氣吸氣口 3. 孔板流量計(jì) 4. U形管壓差計(jì)  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(jī)構(gòu) 10. 背壓真空表  11. 背壓用調(diào)節(jié)閥12. 真空罐13. 軟管接頭
進(jìn)氣管（1）為ф57×3.5無縫鋼管，內(nèi)徑ф50。.空氣吸氣口（2）進(jìn)入進(jìn)氣管，流過孔板流量計(jì)（3）?？装蹇讖涧?，采用角接環(huán)室取壓。流量的大小可從U形管壓差計(jì)（4）讀出。噴管（5）用有機(jī)玻璃制成。配給漸縮噴管和縮放噴管各一只，見圖2、3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，可松開夾持法蘭上的固緊螺絲，向左推開進(jìn)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(nèi)的測壓探壓針（7）（外徑ф1.2）連至“可移動真空表”（8）測得，它們的移動通過手輪～螺桿機(jī)構(gòu)（9）實(shí)現(xiàn)。由于噴管是透明的，測壓探針上的測壓孔（ф0.5）在噴管內(nèi)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(biāo)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”背壓用調(diào)節(jié)閥（11）調(diào)節(jié)。真空罐（12）直徑ф400，起穩(wěn)定壓的作用。罐的底部有排污口，供必要時(shí)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(shí)驗(yàn)中必須測量四個(gè)變量，即測壓孔在噴管內(nèi)的不同截面位置x、氣流在該截面上的壓力p、背壓p_b、流量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(jì)的讀數(shù)來顯示。
本實(shí)驗(yàn)臺配套的儀器設(shè)備選型如下：
真空泵： 1401型   排氣量3200升/分
三、使用說明
1.實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和方法。圖2、圖3縮放噴管的壓力曲線和流量曲線。
虛線表示理想氣流，實(shí)線表示實(shí)際氣流。先介紹理想曲線，然后簡要說明實(shí)際曲線偏離理想曲線的主要現(xiàn)象和原因。
首先是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(shí)際流通面積。所以，實(shí)際流量總是小于理論流量，邊界層還使壓力的分布發(fā)生一些變化。
對于漸縮噴管的超臨界工況（p_b<p_t），由于出口處邊界層被 “抽吸”，使臨界截面稍向前移。對于縮放噴管的幾種亞設(shè)計(jì)工況，偏離更為顯著。

圖2、縮放噴管的壓力曲線

圖3縮放噴管的流量曲線
對于p_a<p_b<p_f工況，由于擴(kuò)大段中邊界層的增長和分離，形成復(fù)雜的情況，壓力的躍升變得比較平緩，不像理論上的正激波那樣陡峭。
對于p_b>p_t工況，流量系數(shù)明顯下降。在圖2上可見，f點(diǎn)下移，d點(diǎn)上移。
其次，氣流中含有水分，當(dāng)氣流在縮放噴管中具備深度膨脹的條件，由于溫度急劇降低，水分將凝結(jié)，放出潛熱加熱氣流，使壓力曲線形成一個(gè)小的突躍。
另外，噴管流道在加工時(shí)不可避免地會有一些誤差（控制在公差范圍內(nèi)，未標(biāo)公差的尺寸，按7級精度公差）。噴管在使用一段時(shí)間后會附著一層污垢（可根據(jù)情況，定期清洗），由于流道尺寸的變化，勢必引起壓力分布和流量的變化。
2.在進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須測量噴管的初壓p₁和初溫t₁(因進(jìn)氣管中氣流速度很低，在最大流量時(shí)其數(shù)量級為1m/s，可近似認(rèn)為p_1、t₁即是氣流的總壓和總溫)。這兩個(gè)參數(shù)可通過對大氣狀態(tài)的測量得出。氣壓計(jì)和溫度計(jì)請用戶自備。初溫t₁等于大氣溫t_a，但初壓p₁將略低于大氣壓力p_a，流量越大，低得越多一些。這主要是由于在進(jìn)氣管中裝了測量流量的孔板，氣體流過孔板將有壓力損失。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算和實(shí)測，氣體流過本實(shí)驗(yàn)臺孔板裝置的壓力損失（p_a—p₁）約為角接取壓U 形壓差計(jì)讀數(shù)Δp的97%。因此，噴管的初壓可按
p₁= p_a-0.97Δp     計(jì)算。
對于教學(xué)實(shí)驗(yàn)來說，已足夠準(zhǔn)確。為不嫌麻煩，也可以直接利用進(jìn)氣管上予留的測壓管口接上U形壓差計(jì)進(jìn)行實(shí)測。
根據(jù)上式，噴管的一個(gè)重要特征參數(shù)p_c= 0.528p₁，它在真空表上的讀數(shù)應(yīng)為：
p_c^′（真空度）=0.472p_a+0.51Δp
在計(jì)算時(shí)注意采用相同的壓力單位。
孔板流量計(jì)流量的計(jì)算公式為
m=1.373×10^-4εβγ   [kg/s] 
式中：ε——流速膨脹系數(shù)       ε=1-2.873×10^-2
β——氣態(tài)修正系數(shù)       β=0.538
γ——幾何修正系數(shù)（標(biāo)定）
Δp——U形壓差計(jì)讀數(shù)[mmH₂O]
p_a—大氣壓力[mbar]
t_a—大氣溫度[℃]
如p₁的單位采用[mmHg] ε、β公式應(yīng)改為：
ε=1-2.155×10^-2 
β=0.621
在安裝孔板時(shí)，應(yīng)將圓錐孔朝向氣流上游，圓柱孔朝向下游，不可裝反。
3.實(shí)驗(yàn)裝置必須保持各動、靜密封面，特別是各真空表的密封，否則有可能達(dá)不到實(shí)驗(yàn)所要求的真空度，更嚴(yán)重的是將使測數(shù)據(jù)失真。噴管的兩個(gè)端面要妥善保護(hù)，不使碰傷。在端面完好無損的情況下，更換噴管時(shí)，先把測壓探針移至最右方，然后松開螺絲，沿著軸向平行地向左推開進(jìn)氣管的三輪支架，注意不要碰壞測壓探針。
4.由于測壓探針內(nèi)徑較小，測壓的時(shí)滯現(xiàn)象比較嚴(yán)重。當(dāng)以不同的速度搖動手輪時(shí)，畫出的壓力曲線將不重合，順搖和逆搖相差更大。因此為了量取準(zhǔn)確的壓力值，搖動手輪必須足夠地慢。
實(shí)驗(yàn)臺有兩只背壓調(diào)節(jié)閥，裝在不同的位置。型號規(guī)格雖同，但調(diào)節(jié)性能各異。裝在真空罐進(jìn)口的調(diào)節(jié)閥反應(yīng)比較靈敏。利用它背壓可迅速調(diào)到給定值。當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺兩臺以上并聯(lián)使用時(shí)，用它調(diào)節(jié)，可以減小相互間的干擾。裝在真空罐出口的調(diào)節(jié)閥，反應(yīng)比較遲鈍，當(dāng)背壓要求緩慢而均勻地改變，利用它比較方便。
5.實(shí)驗(yàn)臺出廠時(shí)配給圖4、圖5所示的漸縮噴管和縮放噴管各一只。

圖4 漸縮噴管                   圖5 縮放噴管
這里不妨介紹一下在設(shè)計(jì)這兩只噴管的線形和尺寸時(shí)的一些基本考慮。漸縮噴管著重考慮能比較準(zhǔn)確和清晰地讀取臨界壓力p_c，這要求噴管出口的氣流為均勻的一維流，為此流道采用了維托辛斯基型線。縮放噴管著重考慮對擴(kuò)大段氣流特性的觀察，這是區(qū)別于漸縮噴管的特征所在。為此，擴(kuò)大段的相對長度設(shè)計(jì)得長些，這是原因之一。為了加工方便，采用簡單的圓錐形。
另外，還考慮到用一臺1401型真空泵能同時(shí)帶兩臺實(shí)驗(yàn)臺對漸縮噴管和縮放噴管作全工況觀測。所謂全工況，漸縮噴管是指p_b=p_c，即超臨界、臨界、亞臨界的三種工況，縮放噴管是指p_c=p_d，即超設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)、亞設(shè)計(jì)等多種工況（參看第1點(diǎn)的說明）。要滿足全工況觀測，關(guān)鍵在于當(dāng)兩臺都以最大流量m_max運(yùn)行時(shí)，背壓還能達(dá)到足夠高的真空度（p_b<p_d）。為此，噴管最小截面的直徑（p₁t₁一定時(shí)，確定m_max）和縮放噴管擴(kuò)大段的錐度（確定p_d/p₁），不能取得過大。最后確定按圖4、圖5的尺寸。
雖然我們實(shí)現(xiàn)了上述“一泵帶兩臺”，仍能滿足全工況觀測。但應(yīng)指出，因真空泵的抽氣速率畢竟有限，當(dāng)一臺在、也僅僅在亞臨界工況（漸縮噴管p_b>p_c,縮放噴管p_b>p_t，共同的特點(diǎn)是m<m_max）范圍內(nèi)改變工況時(shí)，由于流量改變，將使另一臺的背壓產(chǎn)生一些變動最大可達(dá)30mmHg，造成工況不穩(wěn)。這一點(diǎn)應(yīng)提請用戶注意，以免在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生問題。建議在實(shí)驗(yàn)中，分別在兩臺做實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)組稍稍配合一下，可基本上消除這種影響。做法是:
a.兩組同時(shí)都做流量曲線實(shí)驗(yàn)，反正工況需要改變，不怕對方干擾。
b.兩組同時(shí)都做壓力曲線實(shí)驗(yàn)。當(dāng)本組處在亞臨界工況需要調(diào)節(jié)時(shí)，予先通知一下對方，讓他們在給定工況下畫完一條壓力曲線后，本組才進(jìn)行調(diào)節(jié)。最好同時(shí)調(diào)節(jié)。
6.本實(shí)驗(yàn)臺各種儀器設(shè)備的使用方法和注意事項(xiàng)，詳見各自的說明書。
這里只著重指出一點(diǎn)，真空泵在停機(jī)前，先關(guān)閉真空罐出口的調(diào)節(jié)閥，讓真空罐充氣。關(guān)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。