噴管實驗裝置使用說明書

一、用途和特點
本實驗臺主要用于《工程熱力學》教學中“噴管臨界狀態的觀察”實驗。
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象。
3．除供定性觀察外，還可作初步的定量實驗。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錐形孔板流量計，適用的流量范圍寬，可從流量接近為零到噴管的最大流量，精度優于2級。
4．采用真空泵為動力，大氣為氣源。具有初壓初溫穩定，操作安全，功耗和噪聲較小，試驗氣流不受壓縮機械的污染等優點。噴管用有機玻璃制作，形象直觀。
5．采用一臺真空泵，可同時帶兩臺實驗臺對配給的漸縮、縮放噴管做全工況觀測。因裝卸噴管方便，本實驗臺還可用作其他各種流道噴管和擴壓管的實驗。
二、設備結構
整個實驗裝置包括實驗臺、真空泵。
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。

圖1噴管實驗臺
1.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
進氣管（1）為ф57×3.5無縫鋼管，內徑ф50。.空氣吸氣口（2）進入進氣管，流過孔板流量計（3）。孔板孔徑ф7，采用角接環室取壓。流量的大小可從U形管壓差計（4）讀出。噴管（5）用有機玻璃制成。配給漸縮噴管和縮放噴管各一只，見圖2、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～螺桿機構（9）實現。由于噴管是透明的，測壓探針上的測壓孔（ф0.5）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”背壓用調節閥（11）調節。真空罐（12）直徑ф400，起穩定壓的作用。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
三、使用說明
1.實驗的內容和方法。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，實線表示實際氣流。先介紹理想曲線，然后簡要說明實際曲線偏離理想曲線的主要現象和原因。
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，減小了實際流通面積。所以，實際流量總是小于理論流量，邊界層還使壓力的分布發生一些變化。
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計工況，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，由于擴大段中邊界層的增長和分離，形成復雜的情況，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，流量系數明顯下降。在圖2上可見，f點下移，d點上移。
其次，氣流中含有水分，當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，放出潛熱加熱氣流，使壓力曲線形成一個小的突躍。
另外，噴管流道在加工時不可避免地會有一些誤差（控制在公差范圍內，未標公差的尺寸，按7級精度公差）。噴管在使用一段時間后會附著一層污垢（可根據情況，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.在進行定量實驗時，必須測量噴管的初壓p₁和初溫t₁(因進氣管中氣流速度很低，在最大流量時其數量級為1m/s，可近似認為p_1、t₁即是氣流的總壓和總溫)。這兩個參數可通過對大氣狀態的測量得出。氣壓計和溫度計請用戶自備。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。
根據經驗公式的計算和實測，氣體流過本實驗臺孔板裝置的壓力損失（p_a—p₁）約為角接取壓U 形壓差計讀數Δp的97%。因此，噴管的初壓可按
p₁= p_a-0.97Δp     計算。
對于教學實驗來說，已足夠準確。為不嫌麻煩，也可以直接利用進氣管上予留的測壓管口接上U形壓差計進行實測。
根據上式，噴管的一個重要特征參數p_c= 0.528p₁，它在真空表上的讀數應為：
p_c^′（真空度）=0.472p_a+0.51Δp
在計算時注意采用相同的壓力單位。
孔板流量計流量的計算公式為
m=1.373×10^-4εβγ   [kg/s] 
式中：ε——流速膨脹系數       ε=1-2.873×10^-2
β——氣態修正系數       β=0.538
γ——幾何修正系數（標定）
Δp——U形壓差計讀數[mmH₂O]
p_a—大氣壓力[mbar]
t_a—大氣溫度[℃]
如p₁的單位采用[mmHg] ε、β公式應改為：
ε=1-2.155×10^-2 
β=0.621
在安裝孔板時，應將圓錐孔朝向氣流上游，圓柱孔朝向下游，不可裝反。
3.實驗裝置必須保持各動、靜密封面，特別是各真空表的密封，否則有可能達不到實驗所要求的真空度，更嚴重的是將使測數據失真。噴管的兩個端面要妥善保護，不使碰傷。在端面完好無損的情況下，更換噴管時，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.由于測壓探針內徑較小，測壓的時滯現象比較嚴重。當以不同的速度搖動手輪時，畫出的壓力曲線將不重合，順搖和逆搖相差更大。因此為了量取準確的壓力值，搖動手輪必須足夠地慢。
實驗臺有兩只背壓調節閥，裝在不同的位置。型號規格雖同，但調節性能各異。裝在真空罐進口的調節閥反應比較靈敏。利用它背壓可迅速調到給定值。當實驗臺兩臺以上并聯使用時，用它調節，可以減小相互間的干擾。裝在真空罐出口的調節閥，反應比較遲鈍，當背壓要求緩慢而均勻地改變，利用它比較方便。
5.實驗臺出廠時配給圖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計這兩只噴管的線形和尺寸時的一些基本考慮。漸縮噴管著重考慮能比較準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大段氣流特性的觀察，這是區別于漸縮噴管的特征所在。為此，擴大段的相對長度設計得長些，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型真空泵能同時帶兩臺實驗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，即超設計、設計、亞設計等多種工況（參看第1點的說明）。要滿足全工況觀測，關鍵在于當兩臺都以最大流量m_max運行時，背壓還能達到足夠高的真空度（p_b<p_d）。為此，噴管最小截面的直徑（p₁t₁一定時，確定m_max）和縮放噴管擴大段的錐度（確定p_d/p₁），不能取得過大。最后確定按圖4、圖5的尺寸。
雖然我們實現了上述“一泵帶兩臺”，仍能滿足全工況觀測。但應指出，因真空泵的抽氣速率畢竟有限，當一臺在、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，共同的特點是m<m_max）范圍內改變工況時，由于流量改變，將使另一臺的背壓產生一些變動最大可達30mmHg，造成工況不穩。這一點應提請用戶注意，以免在實驗中產生問題。建議在實驗中，分別在兩臺做實驗的兩個組稍稍配合一下，可基本上消除這種影響。做法是:
a.兩組同時都做流量曲線實驗，反正工況需要改變，不怕對方干擾。
b.兩組同時都做壓力曲線實驗。當本組處在亞臨界工況需要調節時，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，本組才進行調節。最好同時調節。
6.本實驗臺各種儀器設備的使用方法和注意事項，詳見各自的說明書。
這里只著重指出一點，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。