工程热力学实验指导书上交稿

工程热力学实验指导书上交稿内容摘要：

 因为 KAm h  0 0 1 1 0 (常数 ) 则任意情况下二氧化碳的比容： 15 KhAmhV  所以，只要在实验中测得 t=20℃ , p=100ata 时的 h0值，计算出 k 值后，其它任意状态下的比容 V 值均可求得。 2．列数据表及绘制 PV 图。 实验数据计算整理后，绘制出实际 CO2气体 PV 的关系图。 八、实验报告的要求 1． 简述实验目的、任务及实验原理。 2． 记录实验过程的原始数据（ 实验数据记录 表）。 3． 根据实验得出的数据结果，计算整理并画出二氧化碳 PVt 的关系图。 九 、思考题： 1． 为什么加压时，要足够缓慢地摇动活塞杆而使加压足够缓慢进行。 若不缓慢加压， 会出现什么问题。 2． 卸压时为什么不能直接开启油杯阀门。 表 31实验数据记录表 t=20℃ t=℃ t=40℃ 表压 p 高度 h 观察现象 表压 p 高度 h 观察现象 表压 p 高度 h 观观察现象 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 99 16 实验 4 喷管中气体流动基本特性试验 一、实验目的 ，了解喷管中气体流动 的基本特性。 二、实 验原理 气体在喷管的流动过程中，气体的状态参数 P、 V，流速 C 和喷管截面积 f 之间的基本关系可用下面三个方程表示： cdcfdfvdvfdfcdcv d pc d cM )1(02  （ 41） 式中： M 为马赫数，是表示气体流动特性的一个重要特性值。 M1 时，表明气体流速小于当地音速， M1 时，气体流速大于当地音速，气体作超音速流动。 方程指出：气体流经喷管时，压力降低，流速增大，喷管的截面积亦随之变化，而喷管的截面变化情况则取决于Ｍ值． 1) 当气流流速小于音速（即Ｍ 1）时，欲使流速增大，喷管截面应该是收缩的； 2) 当气流流速大于音速（即Ｍ 1）时，喷管截面应该是扩放的； 3）当流速等于音速时，喷管截面最小，此处正是气流流速由亚音速过渡到超音速，喷管由收缩形过渡到扩放形的转折点。 这点的参数称为喷管的临界参数，用脚码 C 表示，如临界压力 PC、临界流速 CC等等。 1．渐缩喷管 气体流经喷管的膨胀程度可以用喷管的背压 P2与进口压力 P1之比β表示。 PP12 称为压力比。 而气体在渐缩喷管中膨胀所能达到的最低压力，是使喷管出口的气流速度达到当地 音速的压力，即临界压力 PC。 所以，气流在渐缩喷管中流动时最大膨胀程度决定于临界压力比β C。 PPKPPCCKKCC1)1(1)12(  （ 42） 并且临界压力比只和气体的绝热指数 K 有关。 对于空气等双原子气体 K=，β C=， PC= P1。 不同压力比的工况下，气流在喷管中流动时的膨胀情况如图 3— 1 所示。 图中绘出三组曲线。 17 图 4— 1 渐缩喷管中压力分布 图 42 渐缩喷管的流量曲线 1— P2= PC； 2， 3， 4— P2 PC 5— P2 PC 1） 曲线 1： 压力比等于临界压力比（β =β C），即背压等于临界压力（ P2= PC），气体在喷管中可以由入口压力 P1 一直膨胀到出口背压 PC，即进行了最充分的完全膨胀。 这时，喷管出口的气流流速达到当地音速的数值。 2）曲线 4： 压力比大于临界压力比（β β C），即背压大于临界压力（ P2 PC），气体在喷管中也可以由 P1一直膨胀到 P2，但喷管出口的气流流速未达到当地音速的数值。 3）曲线 5： 压力比小于临界压力（β β C），即背压低于临界压力（ P2 PC），气体在喷管中压力由 P1只能膨胀到 PC，喷管内压力变化情况仍如曲线 1 所示，它不受背压 P2降低的影响，而气流一离开喷管的出口截面就发生突然的膨胀，压力降至 P2，并因而使气流产生了一部分动能损失。 此时，喷管的出口气流流速仍为当地音速。 通过渐缩喷管的气体质量流量 m 与压力比β（ P2/ P1）有关，计算公式为： ))12(12(1212112 PPPPvPfKKkKKm （ 43） 式中： K— 绝热指数； f2－喷管的出口截面积 [m2]； v1— 喷管进口截面上气体的比容 [m3 /kg]； P1， P2— 喷管进出口截面上气体压力和背压 [Pa]； 上式适用于 P2≥ PC的情况。 当 P2=PC时，上式可根据式（ 2）的关系整理成为： )((1211122max )12 vpkfmkkk   （ 44） 再将 k= 代入此式，则可将进一步化简为： 18 或 Tpfmvpfm112max112max （ 45） （ 5）式表示，喷管的最大质量流量值决定于喷管进口的气体状态，当背压自临界压力继续降低时，喷管的流量将保持最大值而不再变化。 在进口气体状态不变时，渐缩喷管通过的质量流量与压力比的关系如图 3— 2 所示。 2 渐缩渐扩喷管（拉伐尔喷管） 当压力比低于临界压力比（β β C）时，应采用渐缩渐扩喷管，以获得超音速气流。 气体在渐缩渐扩喷管中流动时的膨胀情况可由图 3— 3所示的三组压力分布曲线表明。 曲线 1： 喷管在设计条件下工作，气流在喷管中由入口压力膨胀至背压，即气流得到完全膨胀。 在最小截面上，压力为临界压力、气流达到临界流 速。 在渐扩段转入超音速流动。 曲线 7： 喷管在非设计条件下工作。 此时，喷管的实际背压低于设计值，气流发生膨胀不足，在喷管内气流仍可如设计条件一样（如曲线 1），由入口压力膨胀至设计背压值，当气流一离开出口截面就发生突然膨胀，压力降低到实际背压值。 这部分管外突然膨胀使气流损失了一部分动能 图 4— 3 渐缩渐扩喷管中的压力分布 曲线 4： 喷管在背压高于设计背压的 １－在设计条件下工作的压力分布图； 非设计条件下工作。 此时气流膨胀过度，气流在 ２， 3， 4， 5， 6— 膨胀过度时压力分布 图喷管中膨胀到比外界（实际）背压低的压力，而 7— 膨胀不足时喷管出口出现的突然膨胀。 后由该截面至出口截面气流发生压缩过程，使出 口截面压力提高到外界背压而排出。 喷管中开始发生压缩的（截面）位置随背压的提高而向最小截面方面移动。 当背压提高到某一数值 P2c时，喷管中开始出现压缩过程的位置发生在最小截面，如曲线 4。 曲线 6： 如果再继续提高背压（ P2 P2C），喷管最小截面上的压力就不再保持临界压力，而随背压的升高而升高。 这时气体在最小截面之前（即渐缩段）的膨胀情况也受背压改变的影响，各截面上的压力值均随 背压的升高而升高。 渐缩渐扩喷管也有像渐缩喷管一样图形的流量曲线，当β≤β C 时，出现最大流量。 此时最大流量值仍可用式（ 4）计算，只是将式中的 f 改为 fmin。 即： )((121112minmax )12 vpkfmkkk   （ 46） 三、实验设备 19 实验装置由实验台本体、真空泵及电测仪器三部分组成。 本体结构如图 4— 4 所示。 图 44 实验台总结构图 实验段（喷管） 5 用有机玻璃制成，有渐 缩、渐缩渐扩两种形式，如图 4－ 1 、图 4— 3根据实验要求进行装换。 图中绘出了喷管各部分的尺寸。 空气由吸气口 2经进气管 1进入喷管，喷管入口的气体状态由大气压力计及室温表测量，气体流量用进气管道上的孔板流量计 3 测量。 喷管排气道中的压力 P2用真空表 10 测量。 喷管各截面上的压力用探针 7 测取，转动探针移动机构 9 的手柄，可以移动探针测压孔的位置，测量的压力值由真空表 8 读取。 喷管排气管道中的压力 P2用调节阀 11 控制。 气罐 12 起稳定喷管背压的作用。 为了减少震动，气罐与真空泵之间用软管 13 连接。 电测仪器包括：负压传感器 、压差传感器、位移电位器、直流稳压电源、示波器及函数记录仪。 实验时，通过负压传感器和位移电位器，分别将真空表、∪型管压差计以及测压探针测定的压力或压差转换成电讯号，再用示波器、函数记录仪显示，绘出实验曲线。 四、实验内容及步骤 1．实验内容：由实验中观察到的现象和观察中测定的数据绘出两组曲线： (1) 以压力比为纵坐标，探针测压孔位置为横坐标，绘制不同工况时喷管内的压力分布曲线。 (2) 以流量为纵坐标，压力比为横坐标，绘制流量曲线，确定临界压力比，并根据测定的参数与公式计算出来的理论曲线进行比 较。 20 2．实验步骤： （ 1） 装好喷管，对真空泵进行开车检查，使转动系统，油路系统及水系统处于正常状态。 （ 2) 将测压探针传出的位移信号 X 输入示波器或记录仪的 X 轴，把负压传感器输出的压力信号 P 输入 Y 轴。 （ 3）选定若干个背压值，使喷管轮分别处于超临界、临界、亚临界的工况，每当实验装置调整稳定在某一实验工况时，摇动手轮，使测压孔（ X）自喷管进口逐步移至出口之外一段距离，并测取每个 X 所对应的压力值，这样就可以得到在不同背压工况下，压力沿喷管轴向各截面上的压力分布图形。 （ 4）当背压低于临界压力 PC后，将探针 置于喷管出口截面位置，这时降低背压，观察出口截面的压力值（压力不变） （ 5）将传感器输出切换开关拨向“流量”一侧，即压力信号输入 X 轴，压差传感器输出的流量信号 m 输入 Y 轴，改变调节阀开度，调节背压，使背压值自入口压力值开始降低，流量 m 相应自零开始逐渐增大，当背压降至临界压力 PC再继续降低时，流量 m 将保持不变，说明气流达到最大流量 mmax（参照图 4— 2） 图 45 渐缩喷管实验段 图 46 渐缩渐扩喷管实验段 五、数据整理 实验中所需压力、流量等各数据，测量方法如下： 1．压力：喷管入口的压力 P1根据大气压力计和∪型管压差计读数确定如下： HBp 1 mmHg （ 47） 10 61 0 6 5 0  HBp N/m2 （ 48） 式中： B— 大气压力计读数 [mmHg] H— 压差计读数 [mmHg] 另外， P1也可以将探针置于喷管入口位置直接由真空 表读出。 2．背压 P2和喷管各截面的压力用排气管上的真空表与探针相连通的真空表测量，并根 21 据式（ 7）的关系确定。 此时式中的 H 为真空表读数。 （实验段均处于真空状态，喷管临界状态时，背压的真空度为 PC=Bβ C（ B— H）。 式中 H 为真空表读数）。 3．喷管截面位置 X：根据探针移动机构上的位置指针指示的位置确定。 4．流量：根据孔板压差计读数，由所用孔板的流量校验曲线查取。 5．实验中，每测取一次数据时，应读取和记录喷管入口的压力和温度、孔板压差、背压、探针测压孔的位置 X 和所测得的压力以及大气压力值。 6．将实验记录 及整理计算的数据列于 表 41 和表 42 中。 六、实验报告要求 1． 简述实验目的及实验原理。 2．实验数据整理：数据的原始记录、流量随背压变化的关系曲线（ m— P2曲线）、喷管中压力分布曲线（ P— X 曲线）。 3．结果分析：实验测定的结果与理论计算值之间、实验绘制的曲线与示波器显示的曲线之间的异同点，及产生差异的原因。 表 41 喷管实验记录。