《工程热力学》实验指导书.docx

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。工况背压真空表读数背压值测点序号测点位置（mm）移动真空表读数测点压力值临界状态123456789亚临界状态123456789超临界状态123456789 序号项目12345678910背压真空表读数背压值U型管差压计的读数实际流量五、数据处理1、压力值的确定（1）真空度换算成绝对压力值（p）： 式中： 大气压力（mmbar） ； 用真空度表示的压力。（2）由于喷管前装有U形管压力计，气流有压力损失。本实验装置的压力损失为U形管差压计读数（）的97% 。因此，喷管入口压力为： （3）临界压力，真空度为： 计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，约为380mmHg柱）。2、喷管实际流量测定由于管内气流的摩擦而形成边界层，从而减少了流通面积。因此，实际流量必然小于理论值。其实际流量为：（kg/s）式中：流速膨胀系数，气态修正系数，几何修正系数（约等于1）；pU型管差压计的读数（mmHg） ；室温（）；大气压力（mmbar） 。六、实验报告要求1、以测点位置（x） 为横坐标，以为纵坐标，绘制不同工况下的压力分布曲线。2、以压力比为横坐标，流量为纵坐标，绘制流量曲线。实验三 空气在喷管中流动性能测定实验一、实验目的：1、验证和加深理解喷管中气体流动的基本理论。2、观察气流在喷管中各截面的流速，流量，压力变化规律及掌握有关测试方法。3、熟悉不同形式喷管的机理，加深对流动的临界状态基本概念的理解。二、实验原理：1、喷管中气体流动的基本规律气体在喷管中作一元稳定等熵流动中，压力降低，流速增加。气流速度C，密度及压力P的变化与截面A的变化及马赫数Ma（速度与音速之比）的大小有关。它们的变化规律如下表：Ma渐缩管 Ma渐扩管 <1>0<0<1<0>0>1<0>0>1>0<0（1）在亚音速（Ma<1）等熵流动中，气体在的管道（渐缩管）里，速度C增加，而密度，压力P降低，在的管道（渐扩管）里，速度C减小，而密度，压力P增大。（2）在超音速（Ma>1）等熵流动中，气体在渐缩管中，速度C减小，而压力P，密度增大，在渐扩管中，速度C增加，压力P，密度降低。（3）在Ma=1，即达到临界流动状态，此时，压力为临界压力，气流速度为音速。2、喷管中流量的计算（1）理论流量：根据气体一元稳定等熵流动中，任何截面上质量流量都相等，且不随时间变化。流量大小由连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体方程，等熵过程方程，得到气体在喷管中流量的计算式： （kg/s）式中：绝热指数C2出口速度m/s A2出口截面积m2V2出口比体积（m3/kg） P2出口压力（MPa）P1进口压力（MPa） V1进口比体积（m3/kg）若：P1=P2时 P2=0时 ，即在0P2Pc渐缩喷管的出口压力P2或缩放喷管的喉部压力Pth降至临界压力时，喷管中的流量达最大值，计算式如下：临界压力Pc为：将=1.4代入Pc=0.528P1（2）、实测流量由于气流与管内壁间的摩擦产生的边界层，减少了流动截面，因为实际流量是小于理论流量，本实验台采用孔板流量计来测量喷管的流量。孔板流量计上所示的压差P（U型管上读出）。质量流量qm与压差P的关系式为： （kg/s）式中：流量膨账系数,气态修正系数,几何修正系数,（标定值）PU型管压差计读数（mm.H2O）Pa大气压 ta室温为了消除进口压力P1改变的影响，在绘制各种曲线时采用压力比做座标，绘制出压力曲线Px /P1X和流量曲线Pb/P1由于实验台采用的是真空表测压、因此临界压力Pc在真空表上的读数Pc为由于孔板流量计的压降和空气在喷管进口的气流滞止现象，喷管进口压力为：以汞柱为单位时的孔板流量计压差三、实验装置实验装置总图如图1所示。主要由真空泵和喷管实验台主体组成。各部件作用及测量过程如下：图1 实验台总图 图2 渐缩喷管 图3 缩放喷管 由于真空泵的抽吸，空气由进气2口进入吸气管1（57×3.5的无缝钢管）中，经过孔板流量计3（7）进入喷管。流量的大小可由U形管压差计4上读出。喷管5用有机玻璃制成。备有渐缩喷管与缩放喷管两种型式，如图2、图3所示。可根据实验要求，松开夹持法兰上的螺丝向左推开三轮支架6，更换所需要的喷管。喷管各截面上的压力，可从可移动的真空表8上读出，真空表8与内径为0.8的测压探针7相连。探针的顶端封死，在其中段开有径向测压小孔通过摇动手轮螺杆机构9，可使探针7沿喷管轴线左右移动，从而改变测压孔的位置，进行喷管中不同截面上压力的测量。测压孔的位置，可以由位于可移动真空表8下方的指针，在座标板上所指出的x值来确定。喷管的排气管上还装有背压Pb真空表10。背压由调节阀11调节。真空罐12前的调节阀11用于急速调节。直径为400的真空罐12是用于稳定背压Pb的作用。为了减少振动，泵与罐之间用软管13连接。实验中需测量4个变量：（1）测压探针7上测压孔的水平位置x。（2）气流沿喷管轴线x截面上的压力Px；（3）背压Pb；（4）流量。这4个变量可分别用位移指针的位置x，真空表8上的读数P5。背压真空表10上的读数Pb，及U形管压差计4上的读数P测得。特别需要注意的是P5和P6是真空度，计算和绘制曲线时要换算成绝对压力。四、实验步骤1、用座标校准器调准“位移座标”的基准位置。然后小心地装上要求实验的喷管。（注意：不要碰坏测压探针）打开调压阀11。2、检查真空泵的油位，打开冷却水阀门，用手轮转动飞轮1-2圈，检查一切正常后，启动真空泵。3、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11调节背压Pb至一定值。摇动手轮9使测压孔位置x自喷管进口缓慢向出移动。每隔5mm停，记下真空表8上的读数（真空度）。这样将测得对应于某一背压下的一条Px/P1X曲线。4、再用罐前调节阀11逐次调节背压Pb，为设定的背压值。在各个背压值下，重复上述摇动手轮9的操作过程，而得到一组在不同背压下的压力曲线Px/P1X，（如图4，图6所示）。qm×103xg/s 图4 渐缩喷管压力曲线5、摇动手轮9，使测压孔的位置x位于喷管出口外30-40mm处。此时 真空表8上的读数为背压Pb。6、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11调节背压Pb，使它由全关状态逐渐慢开启。随背压Pb降低（真空度升高），流量qm逐渐增大，当背压降至某一定值（渐缩喷管为Pc，缩放喷管为Pf）时，流量达到最大值qm,max，以后将不随Pb的降低而改变。7、用罐前调节阀11重复上述过程，调节背压Pb，每变化50mmHg一停，记下真空表10上的背压读数和U形管压力计4上的压差P（mmH2O）读数（低真空时，流量变化大，可取20mmHg；高真空时，流量变化小，可取10mmHg间隔）将读数换算成压力比Pb/P1和流量在座标纸上绘出流量曲线（如图5、图7所示）。图6 缩放喷管压力曲线图5 渐缩喷管流量曲线（当）图7 孔板流量计曲线8、在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐调节阀11，关闭罐后调节阀11，使罐内充报导。当关闭真空泵后，立即打开罐后调节阀11，使真空泵充气。以防止真空泵回油。最后关闭冷却水阀门。五、数据记录与整理实验中应认真做好原始数据记录（包括：室温ts，大气压Pa及实验日期）如发现实验结果出现较大误差，应仔细分析查找原因。在整理时，由于各种实验曲线都是以压力比（Pa<P1，Pb<P1）作座标，因此必须将压力换算为相同单位进行计算。建议所有数据如下两种形式的表格中。六、思考题（实验结果部分，结合图表回答）1、渐缩喷管出口截面压力（ ）低于临界压力； 缩放喷管出口截面压力（ ）低于临界压力； (a)有可能 (b)不可能2、当背压低于临界压力时 渐缩喷管内气体（ ）充分膨胀 渐放喷管内气体（ ）充分膨胀(a)有可能 (b)不可能3、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（ ）充分膨胀(a)一定 (b)不一定4、当背压低于临界压力时，缩放喷管喉部压力（ ）临界压力 缩放喷管出口截面压力（ ）背压 渐缩喷管出口截面压力（ ）背压 当背压高于临界压力时，渐缩喷管出口截面压力（ ）背压(a)高于 (b)低于 (c)等于 (d)等于或高于5、当Pb/P1>0.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（ ）流经缩放喷管的气体流速随背压降低而（ ） 当Pb/P1<0.528时，流经渐缩喷管的气体流量随背压降低而（ ）流经渐缩喷管的气体流速随背压降低而（ ）6、当Pb/P1等于多少时，流经渐缩喷管的流量最大？实测值和理论值有何差异？7、为什么Pb/P1<0.528时流经渐缩、缩放喷管的气体流量不随背压降低而增加？渐缩喷管流量测量原始记录及数据处理编号：No1 m2 背压压差进口压力压力比膨胀系数实测流量理论流量相对误差PbvPbHP1Pb/P1mSmL%MPaMPammH2OMPag/s缩放喷管流量测量原始记录及数据处理编号：No2 m2 背压压差进口压力压力比膨胀系数实测流量理论流量相对误差PbvPbHP1Pb/P1mSmL%MPaMPammH2OMPag/s实验三 空气在喷管中流动性能测定实验记录实验时间： 班号： 姓 名：同组人： m2 渐缩喷管流量测量原始记录及数据处理表背压压差进口压力压力比膨胀系数实测流量理论流量相对误差PbvPbHP1Pb/P1mSmL%MPaMPammH2OMPag/s实验三 空气在喷管中流动性能测定实验记录实验时间： 班号： 姓 名：同组人： m2 缩放喷管流量测量原始记录及数据处理背压压差进口压力压力比膨胀系数实测流量理论流量相对误差PbvPbHP1Pb/P1mSmL%MPaMPammH2OMPag/s气体物理参数综合测定（一）二氧化碳临界状态观测及p-v-t关系测定实验一、实验目的1、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的认识；2、增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解；3、掌握CO2的p-v-t关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧；4、学会活塞式压力计、恒温器等热工仪器的正确使用方法。二、实验设备整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成 实验台本体1.高压容器2.玻璃杯3.压力机4.水银5.密封填料6.填料压盖7.恒温水套8.承压玻璃杯9.CO2空间10.温度计三、实验原理实验工质二氧化碳的压力值，由装在压力台上的压力表读出。温度由实验台上的温度显示表读出。比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径截面不变等条件来换算得出。a）已知CO2液体在20，9.8MPa时的比容（20，9.8Mpa）=0.00117m3·b）实际测定实验台在20，9.8Mpa时的CO2液柱高度h0（m）c）（20，9.8Mpa）= 式中：K即为玻璃管内CO2的质面比常数所以，任意温度、压力下CO2的比容为： （m3/kg） 式中：h=h-h0 h 任意温度、压力下水银柱高度 h0承压玻璃管内径顶端刻度四、实验步骤1、关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台油杯上的进油阀，摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力台油缸中抽满了油，先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。摇进活塞螺杆，使本体充油。如此交复，直至压力表上有压力读数为止。2、把水注入恒温器内，至离盖3050mm。检查并接通电路，启动水泵，调节温度旋扭设置所要调定的温度。3、测定低于临界温度t=20时的等温线。（1）将恒温器调定在t=20，并保持恒温；（2）压力从4.41Mpa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准；（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa；（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。将测得的实验数据及观察到的现象填入表1。4、测定临界参数，并观察临界现象。（1）按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容c，并将数据填入表1；（2）、观察临界现象a）整体相变现象：由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍有变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。b）汽、液两相模糊不清的现象：处于临界点的CO2具有共同参数（p,v,t），因而不能区别此时CO2是气态还是液态。如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这个液体又是接近气态的液体。下面就来用实验证明这个结论。因为这时处于临界温度，如果按等温线过程进行，使CO2压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。现在，我们按绝热过程来进行，首先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压，CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面。这就是说，如果这时管内的CO2是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了。这就告诉我们，这时CO2液体离气区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。既然，此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。可以这样说：临界状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。5、测定高于临界温度t=50时的等温线。将数据填入原始记录表1。五、实验结果处理和分析表1t=20t=31.1（临界）t=50p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/K现象进行等温线实验所需时间 分钟分钟分钟图三 标准曲线1、按表1的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。2、将实验测得的等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。3、将实验测得的饱和温度和饱和压力的对应值与书中的曲线相比较。4、将实验测定的临界比容c与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其原因。临界比容Vcm3/Kg 表2标准值实验值Vc=RTc/PcVc=3/8RT/Pc0.00216（二）饱和蒸汽观测及PT关系测定实验一、实验目的1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而树立液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念；2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽PT关系图表的编制方法；3、学会温度计、压力表、调压器和大气压力计等仪表的使用方法；4、能观察到小容积和金属表面很光滑（汽化核心很小）的饱态沸腾现象。二、实验设备 图1实验设备简图1.压力表（0.101.5Ma）2.排气阀 3.缓冲器4.可视玻璃及蒸汽发生器 5.电源开关6.电功率调节 7.温度计（100250） 8.可控数显温度仪 9.电流表三、实验方法与步骤1、熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能；2、将电功率调节器调节至电流表零位，然后接通电源；3、调节电功率调节器，并缓慢逐渐加大电流，待蒸汽压力升至一定值时，将电流降低0.2安培左右保温，待工况稳定后迅速记录下水蒸气的压力和温度。重复上述实验，在01.0Ma（表压）范围内实验不少于6次，且实验点应尽量分布均匀；4、实验完毕后，将调压指针旋回零位，并断开电源；5、记录室温和大气压力。四、数据记录和整理1、记录和计算：实验次数饱和压力Ma饱和温度误差备注压力表读值 P大气压力 B绝对压力 P=P+B温度计读值 t 理论值t %1234562、绘制Pt关系曲线：将实验结果点在坐标上，清除偏离点，绘制曲线。 图2 饱和水蒸气压力和温度的关系曲线3、总结经验公式：将实验曲线绘制在双对数坐标纸上，则基本呈一直线，故饱和水蒸气压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式：图3饱和水蒸气压力和温度的关系对数坐标曲线五、注意事项1、实验装置使用压力为1.0Ma（表压），切不可超压操作。实验二 二氧化碳临界状态观测及P-t关系测定实验记录实验时间： 班号： 姓 名：同组人：实验数据记录及整理表T=20 k=T=31.1 k=T=50 k=PMPammH2O现象PMPammH2O现象PMPammH2O现象实验时间实验时间实验时间实验四 二氧化碳饱和温度、饱和压力关系测定一、实验目的1、观察二氧化碳的相变过程，增强相变过程的感性认识；2、强化对克劳修斯克拉贝隆方程的理解；3、学生自己拟定实验方案并完成实验，培养其独力进行实验的能力。二、实验要求纯物质在进行相变时，饱和温度与饱和压力之间具有确定的对应关系，饱和压力是饱和温度的单值函数。请利用实验二的实验台，自己拟定实验方案，测定二氧化碳对应饱和温度下的饱和压力数值，利用最小二乘法原理回归函数关系式，并利用克劳修斯克拉贝隆方程计算二氧化碳在25度时的气化潜热。（三）气体定压比热测定实验一、实验目的 1、掌握气体定压比热的测量原理及其测量装置；2、掌握本实验中测温、测压、测热、测流量的方法； 3、掌握由基本数据计算比热值和比热公式的方法。二、实验装置 （如图2-1）所示本实验装置由风机、流量计、比热仪主体、调压器和功率表等组成。实验时，被测空气由风机经流量计送入比热仪主体，经加热、均流、旋流、混流后流出。比热仪主体构造如图22所示。气体的流量由节流阀调节，比热仪出口温度由电加热器输入功率来控制。比热仪可测200以下气体的比定压热容。 三、实验原理 根据气体平均比热定压热容定义，当气体在定压加热过程中温度由t1升到t2时，其平均比定压热容值可以由下式确定：式中：湿空气在定压加热过程中的吸热量 Js Qm湿空气的质量流量 kgs (t1t2)湿空气在定压加热前后的温差 湿空气是干空气和水蒸气的混合物，当湿空气中水蒸气含量较少，分压力较低时，水蒸气可以当作理想气体处理。显然，当已知湿空气中水蒸气的吸热量Qv时，干空气的比定压热容可由下式确定：式中：Qp湿空气在定压加热过程中的吸热量 Js Qv水蒸气的吸热量 Js Qam干空气的质量流量 kgs,提示：水蒸气的比定压热容可由如下经验公式确定：式中：tv水蒸气的温度 四、实验及实验数据处理步骤 、接通电源，开动风机，调节节流阀，使湿空气流量保持在预定值附近。、逐渐调整加热功率，使湿空气出口温度升高到预定温度，所需功率可以根据下列关系式预先估计：式中： W功率表读数 W 比热仪进出口温差 每流过10升湿空气所需的时间 s 、待被测湿空气达到稳定状态后，测量如下参数： （1）每流过10升湿空气所需的时间 s （2）W 功率表读数 W （3）t1，t2湿空气的进、出口温度 （4）湿空气的相对湿度 （5）pe流量计出口处压差 mmH2O （6）pb大气压力 Pa 、适当改变加热功率（湿空气出口温度），重复步骤3。、计算不同空气出口温度时的湿空气及干空气的平均比定压热容。、关系表示的经验公式。五、注意事项 1、切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪主体。2、输入电热器的电压不得超过220V，气流出口最高温度不得超过300。3、加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪主体因温度骤升和骤降而破裂。4、停止实验时，应先切断电热器。让风机继续运行十五分钟左右。实验一 气体定压比热容测定实验记录实验时间： 班号： 姓 名：同组人：室温 实验数据记录及整理表项目入口温度出口温度电功率流量系数大气压力修正压力干球温度湿球温度空气含温量水蒸汽容积份额空气吸热量干空气质量流量湿空气质量流量水蒸汽吸热量干空气吸热量干空气定压比热容 符号t1t2PPbd单位H2Og/kg123