过热水喷流发动机喷管中的流动数值模拟与基本特性分析_张哲
第21卷第4期船舶力学Vol.21No.4 2017年4月Journal of Ship Mechanics Apr.2017文章编号：1007-7294（2017）04-0413-08
过热水喷流发动机喷管中的流动
数值模拟与基本特性分析
张哲，陈伟政，颜开
（中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）
摘要：文章基于蒸发冷凝模型建立了闪蒸相变模型，对过热水喷流发动机喷管中的两相流动过程进行了数值模拟，发现高温高压流体在流动的过程中伴随着相变和膨胀的发生，两相流体在喷管收缩段、喉部和扩张段中流动特性各不相同，与实验数据进行对比验证了模型的准确性。研究了喷管形状对流动基本特性的影响，发现扩张比和扩张角对两相流在喷管中的相变和膨胀过程影响不同。该文所做研究对揭示两相流闪蒸相变机理、寻求各参数之间的匹配关系有着重要意义，可以为设计过热水喷流发动机提供理论基础。
关键词：两相流；闪蒸相变；喷管；流动特性
中图分类号：O352文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.04.005
Numerical simulation and analysis of the basic characteristics of the flow in the nozzle of a hot water jet engine
ZHANG Zhe,CHEN Wei-zheng,YAN Kai
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China)
Abstract：A flash evaporation model is established based on the evaporation-condensation model.The pro-cess of two phase flow in the nozzle of a hot water jet engine is simulated.It is found that the fluid at a high temperature and pressure flows through the nozzle with the process of phase change and expansion.The flow characteristics of the fluid in the nozzle contracted section,throat and expanded section are different.The accuracy of the model is verified by comparing with the experimental data.The effect of nozzle shapes on the flow characteristics is studied.It is found that the effects of the expansion ratio and expansion angle on the process of the phase change and expansion of the two phase flow are different.This paper helps to re-veal the mechanism of the flash evaporation and the matching relationship between each parameter.It can afford a theoretical basis to design a hot water jet engine.
Key words:two phase flow;flash evaporation;nozzle;flow characteristics
0引言
过热水喷流发动机是利用热水作为推进剂，可以在短时间内产生巨大的推力。液态水在一个密闭容器里加热，达到预设的压强和温度，然后从喷管中喷出，在喷管中发生闪蒸相变，并且膨胀加速，从而产生巨大的推力[1-2]。过热水喷流发动机具有结构简单、成本低、可重复使用、关机性能好等优点，同时由于采用水作为推进剂，所以安全性能高，对环境的污染小，非常适用于作用时间短，推力需求大的
收稿日期：2017-01-24
作者简介：张哲（1992-），男，硕士研究生，E-mail:zhang5212318@https://www.wendangku.net/doc/b913212041.html,；
陈伟政（1974-），男，研究员；颜开（1963-），男，研究员。
414船舶力学第21卷第4期
推进领域，未来在船舶领域也有着广阔的应用前景，如用于超空泡实验推进装置、辅助高速船加速克服阻力峰、地效应船辅助升力等。
闪蒸和两相流都是非常复杂的物理过程，理论研究困难，所以人们多通过实验方法对闪蒸过程进行研究[3-5]，关于喷管中的闪蒸两相流动数值模拟较少[6]。
若要进行过热水喷流发动机的设计，必须对它工作时发生的闪蒸相变机理有深入的了解，理解相关参数之间的相互匹配关系。研究过热水喷流发动机喷管内的流动特性，寻求各参数之间的匹配关系，对深入理解其内部机理有着重要的意义，可以为设计过热水喷流发动机提供理论基础。
1数值模型
1.1基本控制方程
本文采用Mixture 多相流模型进行数值模拟，忽略相间的速度滑移，基本控制方程为：（1）质量守恒方程（连续性方程）：
坠坠t ρm
p p +荦·ρm u 軋m p p =0(1)
式中：ρm 是混合密度，u 軋m
是质量平均速度：ρm ＝n
k=1
Σαk ρk
(2)u 軋m =
Σn
k =1αk ρk u 軋k m
(3)
αk 是第k 相的体积分数，n 表示相的总数。
（2）动量守恒方程：
坠ρm v 軆m p p +荦·ρm v 軆m v 軆m p p =-荦p +荦·μm 荦v 軆m +荦v 軆m
T p p 軆軆
+ρm
g 軆+F 軋+荦·n
k=1
Σαk ρk v 軆dr ,k v 軆dr ,k
p
p
(4)
式中：F 軋是体积力，μm
是混合粘度，v 軆dr ,k 是第k 相的漂移速度：μm =n
k=1Σαk μk
(5)v 軆dr ,k =v 軆k -v 軆m
(6)
（3）能量守恒方程：
坠坠t
n
k=1
Σαk
ρk
E k
p p +荦·n
k=1
Σαk v
軆k
p+ρk E k p p
p p =荦·k eff 荦p p T +S E (7)
式中：k eff 是有效导热系数Σαk k k +k t p p p p ，k t 是湍流导热系数，由所用的湍流模型定义。S E 包括任意其他
的体积热源。
（4）副相体积分数方程：
坠坠t αp ρp p p +荦·αp ρp v 軆m p p =-荦·αp ρp v 軆dr ,p p p +n
q=1
Σm 觶qp -m 觶pq p p (8)
式中：m 觶qp 是p 相到q 相的质量传递，m 觶pq 是q 相到p 相的质量传递。1.2闪蒸相变模型
在混合模型中动量方程求解的是多相质量平均速度，由相变产生的源项添加在能量方程和副相的体积分数方程中。Kumar ，Prasad [7]等对液氢分层沸腾汽化进行了数值计算，极坐标下的连续性方程为：
第4期张哲等：过热水喷流发动机喷管中的流动数值…415坠坠t αρl +1- αρv +1r 坠坠t r αρl u l +r 1- αρv u v v v +坠坠z
αρl v l +1- αρv v v v v =m
觶(9)
式中：α是液体体积分数，αρl +1- αρv 是指控制体混合密度，m
觶指由于相变引起的质量传递。当液体温度高于饱和温度时，汽化过程发生，液态水的质量传递为：
m 觶l
=-γρl αT l -T sat sat
(10)
当液体温度低于饱和温度时，液化过程发生，液态水的质量传递为：
m 觶l
=γρv 1- αT sat -T v T sat
(11)
其中负号表示质量从液体向气体中传递，γ是用来计算单元体内质量传递的时间松弛因子，在数值计
算中γ取决于时间步长的值。
将质量源项的表达式拓展到闪蒸相变过程中，由于闪蒸过程的驱动力是压降，饱和温度会随着压强的降低而降低，所以不存在液化过程。液相向气相的质量传递为：
m 觶=m 觶lg
=-λρl αT l -T sat p
T sat
p
(12)
上式中饱和温度T sat p
不再是常数，而是会随着压强发生变化，α=V l /V l +V g 是指液体的体积分数，λ是
经验常数，在数值计算中表征了控制体单元内液相向气相的质量传递率，能量方程的源项为：
S E =m 觶·h sat T
(13)
式中：h sat T
表示温度为T 时水的气化潜热。建立了质量和能量源项的表达式后，控制方程封闭，利用
ANSYS 中的Fluent 模块对控制方程进行求解。
2模型验证
为了验证上述建立的闪蒸相变模型的准确性，选取一个长度L =250mm 、直径D =25mm 的圆管作为计算模型，利用建立的相变模型，模拟了饱和液态水在圆管中的流动。管道入口压强p 0=4MPa ，入口温度T =523.5K ，出口为常温常压。计算结果如图1所示，从图中可以看出，饱和水在管道流动过程中，压
强逐渐降低，在靠近出口处压强下降较快。
Schmidt 等[8]利用HRM 模型对非热力学平衡的
闪蒸两相流进行了研究，成功模拟了水在短管中的闪蒸过程。将本文的计算结果与Schmidt 的计算结果和实验数据进行对比，可以看出本文计算结果与实验数据吻合较好，仅在管道入口处比实验值略高。在直管的中间部分本文计算结果优于文献中的计算
结果，而在直管出口部分比文献结果更近于实测值。
3喷管中的基本流动特性
3.1几何模型
几何模型如图2所示，喷管是轴对称结构，只需选取模型上半部分进行数值计算。模型的网格划
图1轴向压强对比图
Fig.1Comparison of the axial pressure
x /D
p /p 0
分如图3所示，喷管喉部流场较复杂，对网格进行了加密处理，近壁面划分了边界层并进行网格加密。
3.2计算结果
设定喷管入口是高温高压的液态水，压强p 0=7.15MPa ，入口温度T 0=540K ，出口是常温常压状态，湍流模型选取k-ε模型，忽略重力作用和气液两相间的速度滑移，对喷管内的气液两相流闪蒸过程进行数值计算，计算结果如下。
图2喷管几何模型图3网格划分
Fig.2Geometry model of the nozzle Fig.3Meshing
3.2.1压强
从图4和图5中可以看出：（1）在入口附近总压等于液相分压且保持不变，气体体积分数等于零。（2）
在到达喉部处，总压和液相分压开始迅速降低，同时气相分压逐渐上升，气体体积分数剧烈增大。（3）在扩张段中总压缓慢下降，气相分压在达到峰值后逐渐缓慢下降，在喷管出口处降至环境背压，气体体积分数缓慢增大后基本保持不变。
分析可得以下结论：（1）在喷管收缩段中未发生相变，没有气相存在。（2）喷管喉部处发生了剧烈的相变，产生了大量的气体。（3）扩张段中相变程度越来越小，混合两相流是气相占主导，扩张段中几乎被水蒸气充满，水蒸气在扩张段中膨胀加速。
图4总静压云图
Fig.4Contour of total static pressure
图5轴向压强分布图
Fig.5Axial pressure distribution
（a ）气体体积分数云图
（b ）气体质量分数云图
图6气体（a ）体积分数和（b ）质量分数云图
Fig.6Contour of vapor (a)Volume fraction;(b)Mass
fraction
416船舶力学第21卷第4期
3.2.2气体体积分数和质量分数
从图6、7中可以看出，气体质量分
数近似线性变化，均匀增加，混合物密度的变化趋势与气体体积分数相反。除压强外所有的参数变化的起始点相同（喷管喉部），压强下降的起始点在喉部前。经分析，各流动参数的变化印证了
3.2.1中得出的结论，除此之外还可得出
以下结论：喷管内的相变过程的驱动来源应是压降，压强下降导致液体的饱和温度降低，当饱和温度低于液相的实际温度时，闪蒸相变产生。
从图8中可以看出，同一个截面内越靠近对称轴处气体体积分数越小，越靠近壁面处气体体积分数越大。这说明靠近壁面处相变程度大于对称轴处，从某种角度来看，闪蒸相变是从外向内扩散的。同时可以看出，靠近壁面处的压强小于对称轴，符合前文得到的压降驱动相变发生的结论。
图7喷管对称轴上流动参数变化曲线
Fig.7Parameter variation along the axis of the nozzle
（a ）气体体积分数分布图（b ）压强分布图
图8径向不同截面（a ）气体体积分数和（b ）压强分布图
Fig.8(a)Vapor volume fraction and (b)Pressure of different cross sections
（a ）速度云图
（b ）马赫数云图
图9（a ）速度和（b ）马赫数云图
Fig.9Contour of (a)Velocity and (b)Mach
number
第4期张哲等：过热水喷流发动机喷管中的流动数值 (417)
3.2.3速度和马赫数
马赫数的定义是某点处的速度与当地声速之比，对两相流来说马赫数计算公式如下：
Ma=
u m c
(14)u m =αv ρv u v +αl ρl u l
m (15)
式中：c 指的是气液两相流的当地声速，本文选取文献[9]中的计算公式，如下所示：
c=c v
·αv 2
+αv ·1-αv v v ·ρl
v
v v
-1/2
(16)
式中：c v 是指在气相中的声速，αv 是气体体积分数。
从图9、10中可以看出：（1）两相流混合物的速度始终不断增大，在喉部变化剧烈，在扩张段中变化较缓慢。（2）在同一截面内靠近壁面的速度较小，靠近对称轴速度较大。（3）自喉部起温度逐渐下降，喷管出口温度最低。（4）在收缩段马赫数基本为0，处于亚声速流状态；在进入喉部后，马赫数会迅速地增加，很快由临界流状态Ma =1，转变为超声速流状态Ma >1；扩张段中马赫数达到峰值后会缓慢的下降，流体仍处于超声速流状态。
经过分析，除得到与前文相同结论以外，还可得出以下结论：（1）两相流在喷管中经历两次加速过程：相变膨胀加速和气体体积膨胀加速，前者的加速效果比后者好。（2）两相流的当地声速比单相流小很多。（3）速度与马赫数的变化趋势不完全一致，不能用马赫数来描述速度变化。
4喷管形状对流动基本特性影响
通过上述研究可知，喷管中两相流相变过程基本特性主要包括相变和膨胀过程，分别改变喷管的扩张比ε和扩张角β来研究喷管形状对流动基本特性的影响。结果如下。
图10速度、马赫数轴向变化曲线
Fig.10Variation of velocity and Mach number along the axis
（a ）轴向气体体积分数（b ）径向气体体积分数（x =0.04m 截面）
图11不同喷管形状气体体积分数对比图
Fig.11Comparison in vapor volume fraction of different nozzle shapes
从图11中可以看出，改变喷管的扩张比对相变过程强度影响不大，当扩张角增大时，喷管喉部附近的相变过程更剧烈。图12中压强是一个大气压下的相对压强，可以看出：（1）增加扩张比和扩张角均有利于气体的膨胀过程，当扩张比和扩张角过大时会使气体在出口附近过度膨胀。（2）扩张比对喉部压强分布没有影响，扩张角增大时，喷管喉部压强梯度增大，压强下降更迅速。
所以喷管的扩张比对
418
船舶力学第21卷第4期
两相流膨胀过程有显著影响，对相变过程没有影响，而增大扩张角时相变和膨胀过程均有增强。
5结
论
本文主要进行了以下几方面的工作：
（1）在蒸发冷凝模型的基础上，建立闪蒸相变模型，应用于过热水喷流发动机的模拟中。（2）验证了闪蒸相变模型的准确性。
（3）对喷管中的两相流进行了数值模拟，并对得到结果进行了分析。得出的主要结论有：
（1）喷管中的闪蒸两相流动过程十分复杂，在收缩段中主要是单相流动，相变自喉部附近开始产生，且在喷管喉部相变最剧烈，在扩张段中相变程度下降，两相流中气相体积分数占80%以上。
（2）两相流在喷管中经历两次加速过程：相变膨胀加速和气体体积膨胀加速，前者的加速效果远大于后者。喷管喉部相变膨胀加速程度大于气体体积膨胀加速，扩张段中后半段相反。
（3）闪蒸相变的发生是从外向内扩散的。
（4）扩张比对两相流动膨胀过程有显著影响，对相变过程没有影响。增大扩张角时，相变和膨胀过程均有增强。参考文献：
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（a ）ε=25.48，β=10°（b ）ε=25.48，β=20°
（c ）ε=64，β=10°
图12不同喷管形状压强分布云图
Fig.12Contour of pressures of different nozzle
shapes
第4期张哲等：过热水喷流发动机喷管中的流动数值 (419)
420船舶力学第21卷第4期
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喷管流动特性与管道截面变化规律的关系
喷管流动特性与管道截面变化规律的关系 摘要：针对管内流动规律的一般应用中存在的问题，着重讨论了喷管内工质流动特性与管道截面变化规律的关系，从而更准确更完整地反映了喷管内工质流动规律。 关键词：喷管；流动特性；变化规律 通常在研究喷管内工质流动特性时，只着重于对喷管外形的确定，所以总是以状态参数变化为前提，去探讨工质流动截面(即管道截面)的相应变化。这时由可逆绝热流动的基本方程组，即连续性方程、能量方程和过程方程，整理出如下两个关系式： 很明显，式(1)、(2)反映了工质流速c、压力P、截面A之间的变化关系。从数学角度而言，这几个量是可以互为变化前提的。但对具体的管内流动来说，究竟谁是其中的决定性因素，从而控制着(导致)其它两个量的相应变化，这自然是一个非常重要的问题。但这一问题在很多文献［１～3］中并无明确地阐述。 显然，要揭示清楚喷管内工质的流动规律，必须揭示清楚上式中各个量的决定与被决定关系，不然问题的实质就不会充分地显现出来，所得结论也是不完整的，也就无法满足实际应用的需要。特别是个别文献还错误地强调了这种关系，从而让人产生各种疑惑甚至是误解。这也是许多人在学习了喷管内流动特性之后，对一些管内流动现象还仍然解释不清，甚至出现概念上的错误的根本原因。 1对喷管内流动特性与管道截面变化规律关系的分析 任何一种流动都是在一定的外部条件作用下产生的。随流动条件的不同，管内流动现象才是多种多样的。就喷管流动而言，其流动条件应包括如下两个方面：(一)力学条件：即喷管前后的压差；(二)几何条件：即喷管长度L和喷管流动方向(设为x方向)的截面变化规律A=f(x)。 工质降压升速、升压减速等流动特性，即工质压力P、比容v、流速c包括流动截面A的相互变化关系，应属流体自身属性，这种属性不会自发地表现出来，它是从属于流动的外部条件而存在的。这里的力学条件是工质流动和膨胀的动力，几何条件是工质连续降压增速的保证。在流动产生前和流动过程中，其力学条件和几何条件都是客观的，两者共同确定了相应的流动特性，缺一不可。比如，即使在力学条件完全具备的情况下，若没有几何条件的保证，流体降压升速等属性也不会自发地表现出来。对此还可以用一个简单的例子来加以说明：设流动的 力学条件为初压P １与背压Ｐ b ，在流动产生之前，只有P １ 、P b 是客观存在的，P １ 与P b 之间的其它压力以及其它参数都不是客观的。只有在流动产生之后才在各
喷管特性实验
实验３ 喷管特性实验 一、 实验目的 （1）巩固和验证有关气体在喷管内流动的基本理论，掌握气流在喷管中流速、流量、压力的变化规律。 （2）测定不同工况下，气流在喷管内流量m 的变化，绘制流量曲线。 （3）测定不同工况时，气流沿喷管各截面（轴相位置X ）的压力变化情况，绘制1 p p X x - 关系曲线。 二、实验装置 三、实验原理 1．喷管中气流的基本原理 由连续方程、能量方程和状态方程结合声速公式KPV a =得： c dc M A dA ? ?? ? ?-=12 马赫数M=c/a 显然，要使喷管中气流加速，当M<1时，喷管应为渐缩型（dA<0）；当气流M>1时，喷管应为渐扩型（dA>0）。 2．气体流动的临界概念 喷管中气流的特征是dp<0，dc>0，dv>0，三者之间互相制约。当某一截面的速度达到当地音速时，气流处于从亚音速变为超音速的转折点，通常称为临界状态。 临界压力比112-? ?? ??+=K K K ν ，对于空气，ν=0.528 当渐缩喷管出口处气流速度达到音速或缩放喷管喉部达到音速时，通过喷管的气体流量便达到了最大值，或成临界流量。可由下式确定： 图1 喷管实验装置系统 1. 实验段（喷管）； 2. 孔板； 3. 探针移动机构； 4. 孔板压差计 5. 调节阀； 6. 真空泵； 7. 风道入口； 8. 背压真空表； 9. 探针连通的真空表； 10. 稳压罐 11. 调节阀 12. 实验台支架
1112 1212m i n m a x V P K K K K A m ?-?? ? ??++= 式中： min A —最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流通截面积；对于缩放喷管即为喉部的面积。本实验台的两种喷管 最小截面积均为11.44）。 3．气体在喷管中的流动 （1）渐缩喷管 渐缩喷管因受几何条件（dA<0）的限制。有公式可知：气体流速只能等于或低于音速（a C ≤）；出口截面的压 力只能高于或等于临界压力（c P P ≥2）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（max m m =）。 （2）缩放喷管 缩放喷管的喉部dA=0，因而气流可达到音速（c=a ）；扩大段dA>0，出口截面处的流速可超音速（c>a ），其压力可低于临界压力（P2 1、研究发动机特性的意义是什么 答：发动机的特性是发动机性能的综合反映，在一定条件下，发动机性能指标或特性参数随各种可变因素的变化规律就是发动机的特性。研究发动机的特性是为了分析发动机在不同工况下运行的动力性能指标、经济性能指标、排放指标以及反映工作过程进行的完善程度指标等。 2、分析汽油机和柴油机负荷特性的特点。 答：（1）汽油机的燃油消耗率普遍较高，且在从空负荷向中小负荷段过渡时，燃油消耗率下降缓慢，仍维持在较高水平，燃油经济性明显较差。 （2）汽油机排气温度普遍较高，且与负荷关系较小。 （3）汽油机的燃油消耗量曲线弯度较大，而柴油机的燃油消耗量曲线在中、小负荷段的线性较好。 3、对比分析汽油机和柴油机速度特性的特点。 答：（1）柴油机在各种负荷的速度特性下的转矩曲线都比较平坦。汽油机的速度特性的转矩曲线的曲率半径较小，节气门开度越小，转矩峰值向低速移动，且随转速变化的斜率越大。（2）汽油机的有效功率外特性线的最大值点，一般在标定功率点；柴油机可以达到的最大值点的转速很高，而标定点要比其低很多。 （3）柴油机的燃油消耗率曲线在各种负荷的速度特性下都比较平坦，仅在两端略有翘起，最经济区的转速范围很宽。汽油机则不同，其油耗曲线的翘曲度随节气门开度减小而剧烈增大，相应最经济区的转速范围越来越窄。 4、衡量发动机克服短期超载能力的指标有哪些汽油机、柴油机有什么区别 答：（1）指标有：转矩适应性系数KT,转矩储备系数μ，μ、KT值大表明随着转速的降低，Ttq增加较快，在不换挡时，爬坡能力和克服短期超载能力强。 （2）区别：汽油机的外特性比柴油机外特性的动力适应性好；因此，一般不需要改造外特性配备调速装置。柴油机需要采用专门设计的调速器，在低于标定转速进行校正，使输出转矩增大；高于标定转速需要调速，避免超速。 5、什么是发动机的万有特性汽油机和柴油机的万有特性各有什么特点万有特性曲线常用于哪几个方面 答：（1）万有特性：负荷特性、速度特性只能表示某一油量控制机构位置固定或某一转速时，发动机参数间的变化规律，而对于工况变化范围大的发动机要分析各种工况下的性能，就需要再一张图上全面表示出发动机性能的特性曲线，这种能都表达发动机多参数的特性称为万有特性。 （2）特点： 汽油机的万有特性的特点：a）最低油耗率偏高，并且经济区域偏小；b）等耗油率曲线在低速区向大负荷收敛，这说明汽油机在低速、低负荷的油耗率随负荷的减小而急剧增大，在实际使用中，应尽量避免出现这种情况；c）汽油机的等功率线随转速升高而斜穿等油耗率线，转速愈高愈废油。 柴油机的万有特性的特点：1）最低油耗偏低，并且经济区域较宽；2）等耗油率曲线在高、低速均布收敛，变化比较平坦；3）相对汽车变速工况的适应性好。 （3）应用：a）可以根据被动的工作机械的转速和负荷的运转规律的特性曲线，选配特性曲线与其相近或者相似的发动机。 b）根据等转矩Ttq、等排气温度Tr、等最高爆发压力曲Pz曲线，即可以准确地确定发动机最高、最低允许使用的负荷限制线。 减压器特性实验 1 实验目的 （1）深入了解减压器工作原理及其工作特性。 （2）研究减压器的静态特性，掌握测定减压器静态特性的方法，掌握减压器静态特性的一般规律。 （3）了解减压器的过渡过程压力曲线测定方法，增加对减压器动态特性的感性认识。 2 实验背景 2.1减压器的应用 减压器不仅广泛应用于油、气工业、化工行业、能源工业、基础设施建设等行业，在航空航天领域也发挥着重要作用。在航天行业中，减压器可应用于地面设备(包括地面试验设备)、导弹/运载火箭和卫星航天器。具体而言，减压器可用于： （1）地面试验吹除系统。受系统工作压力的限制，此类减压器出口压力较低，精度要求也不是很高，但质量流量大，要求有较好的启动稳定性。 （2）地面试验或弹箭体供气系统。对于使用气体推进剂的地面发动机试验系统或弹箭体而言，其供气系统中都必须使用到减压器，以保证稳定的压力和流量供应，对减压器的精度!动态特性要求较高。 （3）地面试验或弹箭体液体推进剂输运系统。减压器为推进剂储箱提供恒定的压力，进而为发动机提供需要的推进剂，其出口压力影响到发动机的工作状态，直接关系到整个系统推进剂供应的准确性与安全性，是影响整个发动机推力稳定性的一个重要因素，因此对减压器精度要求较高。 （4）航天器的姿态和轨道控制。在卫星、探空火箭、宇航控制系统、空间站对接操纵系统中以及弹体姿态控制系统中的的冷气推进系统中，减压器出口的气体直接送至喷管进行姿态或轨道控制，具有开启次数频繁，流量变化大的特点，对动态特性、工作范围、控制精度、可靠性和寿命都有较高的要求。 （5）提供基准压力或控制其它调节器。利用减压器出口压力稳定的特点， 燃烧学实验指导书 。 目录 实验原理系统图、实验仪器仪表型号规格及燃料物理化学性质 (2) 实验一 Bensun火焰及Smithell法火焰分离 (3) 实验二预混火焰稳定浓度界限测定 (4) 实验三气体燃料的射流燃烧、火焰长度及火焰温度的测定 (6) 实验四静压法气体燃料火焰传播速度测定 (8) 实验五本生灯法层流火焰传播速度的测定 (11) 实验六水煤浆滴的燃烧实验 (13) 燃烧喷管及石英玻璃管说明 燃烧喷管共4根，分别标记为： I号长喷管—细的长喷管(喷口内径7.18mm) II号长喷管—粗的长喷管(相配的冷却器出口直径10.0mm) I号短喷管—细的短喷管(喷口内径5.10mm) II号短喷管—粗的短喷管(喷口内径7.32mm) 石英玻璃套管共3个，分别标记为： I号玻璃管—最细的石英玻璃管(本生灯火焰内外锥分离用) II号玻璃管—中间直径的石英玻璃管(观察Burk-Schumann火焰现象及测定射流火焰长度用) III号玻璃管—最粗的石英玻璃管(测定射流火焰温度用) 燃烧学实验注意事项 1．实验台上的玻璃管须轻拿轻放，用完后横放在实验台里侧，以防坠落。 2．燃烧火焰的温度很高，切勿用手或身体接触火焰及有关器件。 3．燃烧完后的喷嘴口、水平石英管的温度仍很高，勿碰触，以防烫伤。 4．在更换燃烧管时，手应握在下端，尽量远离喷嘴口。 -可编辑修改- 燃烧学实验 定值器压力#1台#2台#3台#4台#5台#6台 预混空气(kPa) 13 12 13 13 20 13 射流空气(MPa) 0.12 0.11 0.135 0.12 0.16 0.12 2 实验十 渐缩(缩放)喷管内压力分布和流量测定 一、实验目的 1．验证并加深对喷管中的气流基本规律的理解，树立临界压力，临界流速，最大流量等喷管临界参数的概念，把理性认识和感性认识结合起来。 2．对喷管中气流的实际复杂过程有概略的了解。 3．通过渐缩喷管气流特性的观测，要明确：在渐缩喷管中压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量仍不能大于最大流量。 4．根据实验条件，计算喷管（最大）流量的理论值，并与实侧值进行对比。 二、实验设备 本设备由2x 型真空泵，PG －Ⅲ型喷管（见图10-1）和计算机（控制与显示设备）构成。由于真空泵的抽吸，空气自吸气口2进入进气管1，流过孔板流量计3，流量的大小可以从U 型管压差计4读出。喷管5用有机玻璃制成，有渐缩、缩放两种型式（见图10-2、10-3），可根据实验要求，松开夹持法兰上的螺丝，向右推开进气管的三轮支架6，更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插在其中，外径0.2mm 的测压探针连至可移动真空表8测得，探针的顶封死，中段开有测压小孔，摇动手轮——螺杆机构9，即可移动探针，从而改变测压小孔在喷管中的位置，实现对喷管不同截面的压力测量。在喷管的排气管上装有背压真空表10，排气管的下方为真空罐12，起稳定背压的作用，背压的高低用调节阀11调节。罐前的调节阀用作急速调节，罐后的调节阀作缓慢调节，为减少震动，真空罐与真空泵之间用软管13连接。 在实验中必须观测四个变量：（1）测压孔所在截面至喷管进口的距离x ；（2）气流在该截面上压力P ；（3）背压P b ；（4）流量m 。这些变量除可分别用位移指针的位置、移动真空表，背压真空表及 U 形管压差计的读数来显示读出外，还可分别用位移电位器、负压传感器、压差传感器把它们转换为电信号，由计算机显示并绘出实验曲线。位移电位器将在螺杆之旁，它实际上是一只滑杆变阻器。负压传感器和压差传感器分别装在真空表和U 形管压差计附近，其内部结构为一直流电桥，压力和压差改变时将改变电桥中两臂的电阻，从而获得电桥的不平衡电压输出。为了使这些传感器可靠而稳定地工作，都由直流稳压电源供电。 三、实验原理 1．喷管中气流的基本规律 气流在喷管中稳定流动后，喷管任何截面上的质量流量m 均相等，有连续性方程： M= 2 2 21 1 1C A C A AC υυυ = = =定值，[kg/s] （10-1） 式中：A —— 截面积[m 2] C —— 气体流速[m/ s] υ —— 气体比容[m 3/kg] 下标1—— 喷管进口 下标2——喷管出口 气体在喷管中作绝热膨胀，C 1＜C 2，工质为理想流体时，喷管的理论流量可按下式计算： ])()[(121 1 22 12112 2 2 2k k k p p p p p k k A C A m +-?-== υυ （10-2） 式中： k —— 绝热指数，对于空气k=1.4 P 1 —— 喷管进口压力（初压） [N/ m 2] P 2 —— 喷管出口压力 [N/ m 2] 喷管中气体状态参数P 、υ和流动参数C 的变化规律和流通截面积A 的变化以及喷管 喷管特性实验 喷管特性实验 一、实验目的 1.验证喷管中气流的基本规律，加深对临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的理解。 2.比较熟练地掌握压力、压差及流量的测量方法。 3.重要概念1的理解：应明确在渐缩喷管中，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。 4.重要概念2的理解：应明确在缩放喷管中，其出口处的压力可以低于临界压力，流速可高于音速，而流量不可能大于最大流量。 二、实验装置 整个实验装置包括实验台、真空泵（规格为1401型，排气量3200L/min）。实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针、真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，如图6-4所示。 图6-4 喷管实验台 1-进气管；2-空气吸气口；3-孔板流量计；4-U形管压差计；5-喷管； 6-三轮支架；7- 测压探针； 8-可移动真空表； 9-位移螺杆机构及位移传感器； 10-背压真空表；11-背压用调节阀；12-真空罐；13-软管接头；14-仪表箱；15-差压传感器；16-被压传感器；17-移动压力传感器 进气管为φ57×3.5无缝钢管，内径φ50。空气从吸气口入进气管，流过孔板流量计。孔板孔径φ7，采用角接环室取压。流量的大小可从U形管压差计或微 压传感器读出。喷管用有机玻璃制成，配有渐缩喷管和缩放喷管各一只。根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架，更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探针（外径φ1.2）连至“可移动真空表”测得，由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（φ 0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，它们的移动通过螺杆机构移动，标尺或位移传感器实现测量读数。喷管的排气管上还装有“背压真空表”，其压力大小用背压调节阀进行调节。真空罐直径φ400，起稳定压力的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。为减小震动，真空罐与真空泵之间用软管连接。 在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内的不同截面位置X 、气流在该截面上的压力P 、背压P b 、流量m ，这些量可分别用位移指针的位置、可移动 真空表、背压真空表以及U 形管压差计的读数来显示。 实验装置特点： 1.可方便地装上渐缩喷管或缩放喷管，观察气流沿喷管各截面的压力变化。 2.可在各种不同工况下（初压不变，改变背压），观察压力曲线的变化和流量的变化，从中着重观察临界压力和最大流量现象。 3.除供定性观察外，还可作初步的定量实验。压力测量采用精密真空表，精度0.4级。流量测量采用低雷诺数锥形孔板流量计，适用的流量范围宽，可从流量接近为零到喷管的最大流量，精度优于2级。 4.采用真空泵为动力，大气为气源。具有初压初温稳定，操作安全，功耗和噪声较小，试验气流不受压缩机械的污染等优点。喷管用有机玻璃制作，形象直观。 5.采用一台真空泵，可同时带两台实验台对配给的渐缩、缩放喷管做全工况观测。因装卸喷管方便，本实验台还可用作其他各种流道喷管和扩压管的实验。 三、实验原理 1、喷管中气流的基本规律 （1）由能量方程： 221dc dh dq += 及 dp dh dq ν-= 可得 cdc dp =-ν 可见，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降。 （2）由连续性方程： 常数=?=??????=?=?ν ννc A c A c A 222111 第一章发动机的基本知识 一、填空： 1．车用内燃机根据其燃料不同分为（）和（）。 2．四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转（）周，进、排气门各开启（）次，活塞在两止点间移动（）次。 3．上、下止点间的距离称为（）。 4．四冲程发动机每完成一个工作循环需要经过（）、（）、（）和（）四个行程。 5．在内燃机工作的过程中，膨胀过程是主要过程，它将燃料的（）转变为（）。 6．压缩终了时可燃混合气的压力和温度取决于（）。 7．在进气行程中，进入汽油机气缸的是（），而进入柴油机气缸的是（）；汽油机的点火方式是（），而柴油机的点火方式是（）。 8．汽油机由（）大机构（）大系统组成，柴油机由（）大机构（）大系统组成。 9．发动机的动力性指标主要有（）和（）等；经济性指标主要有（）。 10．发动机速度特性指发动机的功率、转矩和燃油消耗率三者随（）变化的规律。 二、选择： 1．曲轴旋转两周完成一个工作循环的发动机称为（）。 A．二冲程发动机B.四冲程发动机C.A，B二者都不是 2．发动机有效转矩与曲轴角速度的乘积称为（）。 A．指示功率B.有效功率C.最大转矩D.最大功率 三、简答： 1、发动机通常由哪些机构和系统组成？ 2、什么是发动机的工作循环，简述四行程汽油机的工作过程 3、试分析汽油机和柴油机的特点和区别 4、发动机的主要性能指标有哪些？ 5、内燃机产品名称和型号包括几个部分？其含义是什么？ 6、名词解释：上止点、下止点、活塞行程、总容积、工作容积、燃烧室容积、压缩比、发动机排量 第二章曲柄连杆机构 一、填空： 1．曲柄连杆机构是往复活塞式内燃机将（）转变为（）的主要机构。 2．根据汽缸体结构将其分为三种形式：（）、（）和（）汽缸体。 3．按冷却介质的不同,冷却方式分为（）与（）两种。 4．汽车发动机汽缸的排列方式基本有三种形式：（）、（）和（）。 5．根据是否与冷却水相接触，汽缸套分为（）和（）两种。 6．常用汽油机燃烧室形状有（）、（）和（）三种。 7．活塞环分为（）和（）两种。 8．曲轴分为（）和（）两种。 压传感器读出。喷管用有机玻璃制成，配有渐缩喷管和缩放喷管各一只。根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架，更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探针（外径φ1.2）连至“可移动真空表”测得，由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（φ0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，它们的移动通过螺杆机构移动，标尺或位移传感器实现测量读数。喷管的排气管上还装有“背压真空表”，其压力大小用背压调节阀进行调节。真空罐直径φ400，起稳定压力的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。为减小震动，真空罐与真空泵之间用软管连接。在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内的不同截面位置X、气流在该 、流量m，这些量可分别用位移指针的位置、可移动真截面上的压力P、背压P b 空表、背压真空表以及U形管压差计的读数来显示。 实验装置特点： 1.可方便地装上渐缩喷管或缩放喷管，观察气流沿喷管各截面的压力变化。 2.可在各种不同工况下（初压不变，改变背压），观察压力曲线的变化和流量的变化，从中着重观察临界压力和最大流量现象。 3.除供定性观察外，还可作初步的定量实验。压力测量采用精密真空表，精度0.4级。流量测量采用低雷诺数锥形孔板流量计，适用的流量范围宽，可从流量接近为零到喷管的最大流量，精度优于2级。 4.采用真空泵为动力，大气为气源。具有初压初温稳定，操作安全，功耗和噪声较小，试验气流不受压缩机械的污染等优点。喷管用有机玻璃制作，形象直观。 5.采用一台真空泵，可同时带两台实验台对配给的渐缩、缩放喷管做全工况观测。因装卸喷管方便，本实验台还可用作其他各种流道喷管和扩压管的实验。 三、实验原理 1、喷管中气流的基本规律 （1）由能量方程： 及 可得 可见，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降。 （2）由连续性方程： 有 及过程方程 喷管特性实验 一、实验目的 1.验证喷管中气流的基本规律，加深对临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的理解。 2.比较熟练地掌握压力、压差及流量的测量方法。 3.重要概念1的理解：应明确在渐缩喷管中，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。 4.重要概念2的理解：应明确在缩放喷管中，其出口处的压力可以低于临界压力，流速可高于音速，而流量不可能大于最大流量。 二、实验装置 整个实验装置包括实验台、真空泵（规格为1401型，排气量3200L/min）。实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针、真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，如图6-4所示。 图6-4 喷管实验台 1-进气管；2-空气吸气口；3-孔板流量计；4-U形管压差计；5-喷管； 6-三轮支架； 7- 测压探针； 8-可移动真空表； 9-位移螺杆机构及位移传感器； 10-背压真空表； 11-背压用调节阀；12-真空罐；13-软管接头；14-仪表箱；15-差压传感器；16-被压传感器；17-移动压力传感器 进气管为φ57×3.5无缝钢管，内径φ50。空气从吸气口入进气管，流过孔板流量计。孔板孔径φ7，采用角接环室取压。流量的大小可从U形管压差计或微 压传感器读出。喷管用有机玻璃制成，配有渐缩喷管和缩放喷管各一只。根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架，更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探针（外径φ1.2）连至“可移动真空表”测得，由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（φ0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，它们的移动通过螺杆机构移动，标尺或位移传感器实现测量读数。喷管的排气管上还装有“背压真空表”，其压力大小用背压调节阀进行调节。真空罐直径φ400，起稳定压力的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。为减小震动，真空罐与真空泵之间用软管连接。 在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内的不同截面位置X 、气流在该截面上的压力P 、背压P b 、流量m ，这些量可分别用位移指针的位置、可移动真 空表、背压真空表以及U 形管压差计的读数来显示。 实验装置特点： 1.可方便地装上渐缩喷管或缩放喷管，观察气流沿喷管各截面的压力变化。 2.可在各种不同工况下（初压不变，改变背压），观察压力曲线的变化和流量的变化，从中着重观察临界压力和最大流量现象。 3.除供定性观察外，还可作初步的定量实验。压力测量采用精密真空表，精度0.4级。流量测量采用低雷诺数锥形孔板流量计，适用的流量范围宽，可从流量接近为零到喷管的最大流量，精度优于2级。 4.采用真空泵为动力，大气为气源。具有初压初温稳定，操作安全，功耗和噪声较小，试验气流不受压缩机械的污染等优点。喷管用有机玻璃制作，形象直观。 5.采用一台真空泵，可同时带两台实验台对配给的渐缩、缩放喷管做全工况观测。因装卸喷管方便，本实验台还可用作其他各种流道喷管和扩压管的实验。 三、实验原理 1、喷管中气流的基本规律 （1）由能量方程： 221dc dh dq += 及 dp dh dq ν-= 可得 cdc dp =-ν 可见，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降。 （2）由连续性方程： 有 及过程方程 常数=k p ν 常数=?=??????=?=?νννc A c A c A 222111c dc d A dA -=νν 篇一：流体力学实验指导书1 流体力学（水力学） 实验指导书 黎强张永东编 西南大学工程技术学院建筑系 二零零八年九月 流体力学综合实验台简介 流体力学综合实验台为多用途实验装置，其结构示意图如图1所示。 图1 流体力学综合试验台结构示意图 1.储水箱 2.上、回水管 3.电源插座 4.恒压水箱 5.墨盒 6.实验管段组 7.支架 8.计量水箱 9.回水管 10.实验桌 利用这种实验台可进行下列实验：一、雷诺实验；二、能量方程实验； 三、管路阻力实验；1．沿层阻力实验2．局部阻力实验；四、孔板流量计流量系数和文丘里流量系数的测定方法；五、皮托管测流速和流量的方法。 一、雷诺实验 1．实验目的 （1）观察流体在管道中的流动状态；（2）测定几种状态下的雷诺数；（3）了解流态与雷诺数的关系。 2．实验装置 本实验的实验装置为：（1）流体力学综合实验台；（2）雷诺实验台。 在流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺数实验管、阀门、伯努力方程实验管道、颜料水（蓝墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀，水泵和计量水箱等，秒表及温度计自备。 雷诺实验台部件种类同综合实验台雷诺实验部分。 3．实验前准备 （1）、将实验台的各个阀门置于关闭状态。开启水泵，全开上水阀门，把水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水有少量溢流，并保持水位不变。（2）、用温度计测量水温。 4．实验方法（1）、观察状态 打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针流出，颜料水和雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水，此时雷诺实验管中的流动状态为紊流；随着出水阀门的不断的关小，颜料水与雷诺实验管中的水渗混程度逐渐减弱，直至颜料水与雷诺实验管中形成一条清晰的线流，此时雷诺实验管中的流动为层流。（2）测定几种状态下的雷诺系数 全开出水阀门，然后在逐渐关闭出水阀门，直至能开始保持雷诺实验管内的颜料水流动状态为层流状态。按照从小流量到大流量的顺序进行实验，在每一个状态下测量体积流量和水温，并求出相应的雷诺数。 实验数据处理举例： 设某一工况下具体积流量q=3.467×10-5m3/s，雷诺实验管内径d=0.014m，实验水温t=5℃，查水的运动粘度与水温曲线，可知微v=1.519×10-6m2/s 。q3.467?10?5 ?0.255m/s 流速 v?? f ?0.01424 ?6?207 5 根据实验数据和计算结果，可绘制出雷诺数与流量的关系曲线（图2）。不同温度下，对应的曲线斜率不同。 3）测定下临界雷诺数 调整出水阀门，使雷诺实验管中的流动处于紊流状态，然后缓慢地逐渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变动情况。当关小某一程度时，管内的颜料水开始成为一条线流，即为紊流 实 验 报 告 评分 实验题目：喷管特性实验 实验目的：验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，建立临界压力、临界流速 和最大流量等喷管临界参数的概念；比较熟练地掌握用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法；明确渐缩喷管出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量；明确缩放喷管中的压力可以低于临界压力，流速可高于当地音速，而流量不可能大于最大流量；对喷管中气流的实际复杂过程有所了解，能定性解释激波产生的原因。 实验原理： 1．喷管中气流的基本原理 由连续方程、能量方程和状态方程结合声速公式KPV a =得： c dc M A dA ? ?? ? ?-=12 马赫数M=c/a 显然，要使喷管中气流加速，当M<1时，喷管应为渐缩型（dA<0）；当气流M>1时， 喷管应为渐扩型（dA>0）。 2．气体流动的临界概念 喷管中气流的特征是dp<0，dc>0，dv>0，三者之间互相制约。当某一截面的速度达到当地音速时，气流处于从亚音速变为超音速的转折点，通常称为临界状态。 临界压力比112-? ?? ??+=K K K ν ，对于空气，ν=0.528 当渐缩喷管出口处气流速度达到音速或缩放喷管喉部达到音速时，通过喷管的气体流量 便达到了最大值，或成临界流量。可由下式确定： 1112 1212m i n m a x V P K K K K A m ?-??? ??++= 式中： min A —最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流通截面积；对于缩放喷管即为喉部的面 积。本实验台的两种喷管最小截面积均为11.44）。 3．气体在喷管中的流动 （1）渐缩喷管 渐缩喷管因受几何条件（dA<0）的限制。有式（4）可知：气体流速只能等于或低于音速（a C ≤）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（c P P ≥2）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（max m m =）。 （2）缩放喷管 《工程热力学》实验指导书 喷管特性实验 一、实验目的 1、验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，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、比较熟练地掌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，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。 二、实验装置 喷管实验台 1.进气管 2.空气吸气口 3.孔板流量计 4.U形管压差计 5.喷管 6.支架 7.测压探压针 8.可移动真空表 9.手轮螺杆机构10.背压真空表11.背压用调节阀12.真空罐13.软管接头 渐缩喷管 三、实验原理 1、喷管中气流的基本规律 ，来流速度，喷管为渐缩喷管. 2、气流动的临界概念 当某一截面的流速达到当地音速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（）。临界压力与喷管初压（）之比称为临界压力比，有： 当渐缩喷管出口处气流速度达到音速，通过喷管的气体流量便达到了最大值（），或称为临界流量。可由下式确定： 式中：—最小截面积（本实验台的最小截面积为：19.625 mm2）。 3、气体在喷管中的流动 渐缩喷管因受几何条件的限制，气体流速只能等于或低于音速（）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（）。根据不同的背压（），渐缩喷管可分为三种工况： A—亚临界工况（），此时m<, B—临界工况（），此时m=, C—超临界工况（），此时m, 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、打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。而后启动真空泵； 3、测量轴向压力分布：用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记录；然后转动手轮，使测压探针向出口方向移动。每移动5mm便停顿下来，记录该点的位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外； 4、流量的测量：把测压探针的引压孔移至出口截面之外，打开罐后调节阀，关闭罐前调节阀，启动真空泵，然后用罐前调节阀调节背压，每次改变50mmHg柱，稳定后记录背压值和U形管差压计的读数。当背压升高到某一值时，U形管差压计的液柱便不再变化（即流量达到了最大值），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、打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3分钟后停真空泵并立即打开罐后调节阀，让真空泵充气（目的是防止回油），最后关闭冷却水阀门。 工程热力学喷管特性实验 实验报告评分 实验题目:喷管特性实验 实验目的:验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，建立临界压力、临界流速 和最大流量等喷管临界参数的概念;比较熟练地掌握用热工仪表测量压力 (负压)、压差及流量的方法;明确渐缩喷管出口处的压力不可能低于临界 压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量;明确缩放喷管中的压力可以低于临界压力，流速可高于当地音速，而流量不可能大于最大流量; 对喷管中气流的实际复杂过程有所了解，能定性解释激波产生的原因。实验原理: 1(喷管中气流的基本原理 a,KPV由连续方程、能量方程和状态方程结合声速公式得: dAdc2,,,M,1,,,,Ac 马赫数M=c/a 显然，要使喷管中气流加速，当M<1时，喷管应为渐缩型(dA<0);当气流M>1时，喷管应为渐扩型(dA>0)。 2(气体流动的临界概念 喷管中气流的特征是dp<0，dc>0，dv>0，三者之间互相制约。当某一截面的速度达到当地音速时，气流处于从亚音速变为超音速的转折点，通常称为临界状态。 K 2,,K,1,,,,K，1,, 临界压力比，对于空气，,=0.528 当渐缩喷管出口处气流速度达到音速或缩放喷管喉部达到音速时，通过喷管的气体流量便达到了最大值，或成临界流量。可由下式确定: 2P2K2,,K,11，m,A,,,maxminK，1K，1V,,1 式中: A—最小截面积(对于渐缩喷管即为出口处的流通截面积;对于缩放喷管即为喉部的面min 积。本实验台的两种喷管最小截面积均为11.44)。 3(气体在喷管中的流动 (1)渐缩喷管 渐缩喷管因受几何条件(dA<0)的限制。有式(4)可知:气体流速只能等于或低于音 P,P2cC,a速();出口截面的压力只能高于或等于临界压力();通过喷管的流量只能等 ，，m,mmax于或小于最大流量()。 (2)缩放喷管 缩放喷管的喉部dA=0，因而气流可达到音速(c=a);扩大段dA>0，出口截面处的流速可超音速(c>a)，其压力可低于临界压力(P2 燃烧学 实验报告 学院 专业 学号 学生姓名 指导教师 2017 年 01 月 目录 实验原理系统图、实验仪器仪表型号规格及燃料物理化学性质 (3) 实验一Bensun火焰及Smithell法火焰分离 (6) 实验二预混火焰稳定浓度界限测定 (8) 实验三气体燃料的射流燃烧、火焰长度及火焰温度的测定 (11) 实验四本生灯法层流火焰传播速度的测定 (15) 燃烧喷管及石英玻璃管说明 燃烧喷管共4根，分别标记为： I号长喷管—细的长喷管(喷口内径7.18mm) II号长喷管—粗的长喷管(相配的冷却器出口直径10.0mm) I号短喷管—细的短喷管(喷口内径5.10mm) II号短喷管—粗的短喷管(喷口内径7.32mm) 石英玻璃套管共3个，分别标记为： I号玻璃管—最细的石英玻璃管(本生灯火焰内外锥分离用) II号玻璃管—中间直径的石英玻璃管(观察Burk-Schumann火焰现象及测定射流火焰长度用) III号玻璃管—最粗的石英玻璃管(测定射流火焰温度用) 燃烧学实验注意事项 1.实验台上的玻璃管须轻拿轻放，用完后横放在实验台里侧，以防坠落。 2.燃烧火焰的温度很高，切勿用手或身体接触火焰及有关器件。 3.燃烧完后的喷嘴口、水平石英管的温度仍很高，勿碰触，以防烫伤。 4.在更换燃烧管时，手应握在下端，尽量远离喷嘴口。 本生灯燃烧实验系统介绍 一、本生灯燃烧实验系统 本生灯燃烧实验系统如图1所示。压缩空气（蓝色导管）通过减压阀门调节，进入浮子流量计调节测量。甲烷（桔红导管）由气瓶开关、减压阀提供，接通单向电磁阀进入浮子流量计调节测量。主控制面板上设计了一个主控单向电磁阀开关，只有当电源接通，开关按下时，燃料才能供应。空气和燃气调节好当量比被分别输送进入一个混合管（混合管的功用是缓和气流的脉动，并使甲烷、压缩空气两股气体充分混合，以保证在本生灯管的进口处获得稳定、均匀的流动），该混合管连接一个内径为25mm的本生灯管，用于火焰结构演示实验、钝体火焰稳定实验。根据火焰传播的余弦定理，已知管口直径，测量出火焰的高度，就能算出火焰锥角。再通过浮子流量计的读数，测出气流流出管口的速度，就可以算出火焰的传播速度。 图 1 本生灯燃烧实验系统 第8章发动机特性知识点 一、选择 发动机的工况变化取决于其所带动的工作机械的（） A、运转情况 B、功率情况 C、速度情况 D、传动情况 发动机的外特性是一种（） A、负荷特性 B、速度特性 C、调整特性 D、万有特性 汽车发动机的工况变化范围在转速、功率坐标图上是（） A、一个点 B、一条直线 C、一条曲线 D、一个平面 按运行工况特点分类，汽车发动机的工况属于（） A、点工况型 B、线工况型 C、面工况型 D、体工况型 发动机的外特性曲线有（） A、4条 B、3条 C、2条 D、1条 发动机的工况变化取决于工作机械的（）。 A、运转情况 B、功率 C、速度 D、扭矩 在发动机试验装置中，（）是发动机试验台架的基本设备。 A、发动机 B、试验台 C、测功机 D、测量系统 万有特性是把发动机的性能参数看作是工况参数的（）函数。 A、一元 B、二元 C、三元 D、四元 按运行工况特点分类，汽车拖拉机发动机的工况属于（）。 A、点工况型 B、线工况型 C、面工况型 D、体工况型 发动机的外特性属于（）。 A、负荷特性 B、速度特性 C、调整特性 D、万有特性 小型车用柴油机一般装有（）调速器。 A、两速 B、全速 C、定速 D、综合 万有特性图中，最内层的区域是（）。 A、功率最高区域 B、油耗最小区域 C、转矩最大区域 D、转速最小区域 二、判断 只有当发动机转矩大于工作机械转矩时，两者才能在一定转速下稳定工作。[ ] 两极式调速器不仅在最高和最低转速时起调速作用，在中间转速也起调速作用。[ ] 由于车用发动机的功率和转速独立地在很大范围内变化，故其工况是面工况。[ ] 万有特性图中，最内层的区域是最经济区域。[ ] 由于柴油机没有节气门，所以柴油机没有外特性。[ ] 只要两台发动机的转矩储备系数和最大功率时转速相同，则它们克服阻力的潜力也相同。 《工程热力学》喷管特性实验 实 验 指 导 书 编制：朱天宇肖洪 河海大学机电工程学院2006年5月 喷管特性实验 一、 实验目的 1． 验证并进一步对喷管中气流基本规律的理解。牢固树立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念。 2． 掌握喷管实验装置的实验原理、实验方法和操作步骤，比较熟练地用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量。 3．测量并绘制喷管内的压力分布曲线及流量曲线，做出定性的解释。 二、 实验原理 喷管是一些热工设备的重要部件，这些设备的工作过程和喷管中气体的流动过程有密切 的关系。实验观察气流完全膨胀时沿喷管各界面的压力变化，测定流量曲线和临界压力比，可以帮助了解喷管中气体流动现象的基本特性，并且通过观察渐缩渐扩喷管中膨胀不足和膨胀过度的现象，还可进一步了解工作条件对喷管中流动过程的影响。 （一）收缩喷管出口的流速和流量 假设喷管进口的气流参数都用它们对应的滞止参数表示，喷管出口处的气流参数用下标1表示，则喷管中绝能流的能量方程为 2 11012f h c h + = 对于比热为常数的理想气体，上式成为 2 11012 p f p c T c c T + = 引用等熵过程关系式和状态方程（理想气体的γκ=），于是喷管出口的气流速度 1f c = = （1-1） 可见对于给定的气体，在收缩喷管出口气流未达到临界状态之前，进口的总焓越高，或者出口气流的压强对滞止压强比越小，则出口气流的速度越高。收缩喷管出口气流速度最高可达当地声速，即出口气流处于临界状态。通过喷管的质量流量为： 1 111111 ()f f m A c A c p q v v p γ = = 将式（1-1）式代入上式得出 m q A = （1-2） m q 是1p 的连续函数，而且当1p =0 和10p p =时，m q 都等于零。由此推论。在100p p <<的 范围内必有m q 的极限值。为了推求流量的最大值max m q ，取上式对1p 的导数，并令1/0m dq dp =， 喷管中气体流动基本特性实验报告 一、实验目的 1. 验证并进一步对喷管中气流基本规律的理解。牢固树立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念。 2. 掌握喷管实验装置的实验原理、实验方法和操作步骤，比较熟练地用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量。 3. 测量并绘制喷管内的压力分布曲线及流量曲线，做出定性的解释。 二、实验原理 喷管是一些热工设备的重要部件，这些设备的工作过程和喷管中气体的流动过程有密切的关系。实验观察气流完全膨胀时沿喷管各界面的压力变化，测定流量曲线和临界压力比，可以帮助了解喷管中气体流动现象的基本特性，并且通过观察渐缩渐扩喷管中膨胀不足和膨胀过度的现象，还可进一步了解工作条件对喷管中流动过程的影响。 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： c dc f df v dv f df c dc vdp cdc M )1(02 -==-+-= （4-1） 式中：M 为马赫数，是表示气体流动特性的一个重要特性值。M<1时，表明气体流速小于当 地音速，M>1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P C 、临界流速C C 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P 2与进口压力P 1之比β表示。P P 1 2= β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P C 。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发动机第七章答案
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