新型喷管综合实验平台的建设

摘 要 吉林大学大学生创新项目“气体喷管综合性能的测定”针对现阶段国内高校中喷管实验台的实际情况，提出一套建设新型喷管综合实验平台的理念。该喷管实验台基于改变喷管入口压力来调节喷管的压差，进而测定喷管在不同工况下的一系列性质。简要阐明该实验台的运行原理以及分析该实验台的特色、创新之处，提出建设一套新型测定喷管综合性能的实验平台的理念。并通过具体实测结果来验证本方案的可行性，并结合实验数据对实验台进行误差分析。

关键词 大学生创新；工程热力学；喷管；气体膨胀

中图分类号：G482 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）06-0038-03

喷管是指通过改变管段内壁的几何形状以加速气流的一种装置。喷管类型很多，有固定的或可调的收敛喷管、收敛—扩散喷管、引射喷管和塞式喷管等。喷管常常出现在日常的生活、生产当中。生活当中的许多方面应用到喷管的特性，特别是在热力学当中会经常接触到一些与喷管特性有关的现象。

在科技发展迅猛的当今社会，喷管技术不仅应用在日常的生活用品当中，还被广泛应用于发动机、飞行器和火力发电等设备中。如飞机发动机利用缩放—渐缩喷管可以极大地使涡轮流出的燃气膨胀加速，使燃气中的一部分焓转变为动能，提高燃气的速度，产生较大推力的同时通过调节喷管的临界面积改变发动机的工作状态，这也是二维矢量喷管的工作原理。又如，在依靠火力发电为主的我国，火力发电的效率非常低，只有35%左右，而在火力发电中提高效率的方法之一就是提高燃料的燃烧程度，这可以通过燃料在炉膛内的喷射程度解决[1]。所以对喷管的进一步认识和优化能使人们更加充分利用资源，符合节能减排的低碳经济的基本方针。可见认识喷管，了解喷管的性能，对当代大学生来说非常有必要，特别是对热能动力相关专业的学生来说，对喷管的学习是一门必修课。

然而对事物规律最直观、最真实的反应是通过实验来实现的。喷管的实验可以加深对喷管实际特性的认识，更深刻地了解喷管的相关特性，为以后对喷管的学习与应用打下坚实的基础。通过大学期间进行一系列的实验，可以大幅度提高学生的实际操作动手能力，同时可以加深学生对所学知识的认识，从本质上进行了解，进而提高学生的创新能力[2]。因此，很有必要建设一套新型喷管实验平台，来验证喷管的综合实验特性。

1 新型喷管实验台的提出

工程热力学实验“喷管内气体流动特性曲线”为验证性实验，实验目的是验证气体在喷管内流动时的压力特性曲线和流量特性曲线。目前，国内各个高校的测定喷管内气体流动的实验装置主要是通过真空泵降低喷管的背压而与大气压形成压差，对流经喷管的气流进行加速，进而测定喷管的各项性能。但是，这套实验方案有许多不足之处。由于压差的最大值为一个大气压，因而限制了喷管两端压力差的提高；同时在实际的生产生活中，这种由于大气压高于背压而形成压差的现象极为少见，不能够真实、直观地反应喷管的工作特性。相反，例如喷气发动机、灌溉用的喷管等，都是利用提高喷管落压比的方法来改变喷管内工质的流动参数。

正是由于上述缺点，为了使相应专业的学生更深刻认识喷管，更好地掌握所学的相关知识，并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解。我们提出了一套新型喷管实验台建设的方案，如图1所示。

2 新型实验台的工作原理以及操作步骤

工作原理 本实验台主要由压气机、浮子流量计、稳压罐、喷管、气体压力探针、功率表、涡轮机、直流发电机、功率表等主要部件组成。其运行流程是：气体压气机空气干燥装置浮子流量计稳压罐喷管涡轮机。气体经过压气机的压缩后形成的高压空气流经空气干燥装置消除空气内部的水分，确保后续测量准确。由于压气机压缩后的空气压力不稳定，需要流进稳压罐进行稳压，稳压后的高压气体使喷管入口压力大于出口压力，保证了喷管的正压运行，经喷管加速后的气流通过涡轮机带动直流发电机运作，进而把气流做功能力以电功率的形式体现出来。通过可调节式气体压力传感器以及浮子流量计来测定不同喷管实验工况条件下的气体压力，来描绘出喷管气体压力特性曲线以及流量特性曲线、确定喷管的临界压力比。同时还可以在压差恒定的前提下调节涡轮机与喷管出口间的距离，来定性反应气体膨胀激波对气体能量损失的影响[3]。在该实验平台上可以全面反映喷管的相关特性。

操作步骤

1）关闭稳压罐上部阀门，打开稳压罐下部阀门，接通压气机电源对稳压罐进行储气。调整好风机位置，使风机叶片正对气流方向。

2）待压力合适后，缓慢打开稳压罐上方阀门，调节压力在大于、等于、小于临界压力等不同工况下，分别记录流量计的示数。同时在不同工况下转动探针移动机构的手轮，使其从喷管入口逐步移动到喷管出口，记录不同位置时的气压值（期间需要控制气体压力表的开关，及时切换气压表与真空表）。

3）调整涡轮风机与喷管出气口距离保持一定时，记录喷管在不同压差下功率表的示数，同时观察小灯泡的发光情况。

4）保持喷管压差一定的情况下调节喷管气体出口与风机的距离，记录功率表的示数，观察小灯泡的发光情况。

5）待数据测定完毕后，停止压气机工作，待把实验装置中的剩余气体排净后，关闭稳压罐上部阀门，结束本次试验。

3 实验数据及误差分析

实验数据 实验数据见表1、图2。

误差分析

1）实验装置误差。本实验装置中采用气体压力探针来测定喷管内部各点的压力值，气体在探针内部流动时会受到摩擦阻力导致所测定的气压有所偏差；此外，实验中用到的气压表、浮子流量计、功率表都会导致一定的测量误差。

2）其他误差。在测量的过程中，实验装置某些环节不可避免地出现一定的漏气现象，同时人为读数误差等也会造成一定的误差。

在本实验装置中某些环节存在的误差对实验台的测试目的不会造成很大的影响，本实验主要还是定性地反应喷管的相关特性，验证气体经喷管加速后在做功能力方面的性质。

4 本实验台特色之处

1）将气源装置改成了压气机，并安装在装置的进气口，而排气口为大气压力保持不变。经压气机压缩后的高压气体输入到稳压罐进行稳压，通过调节稳压罐出口气体阀门的开度来灵活改变喷管两端的压差，测量不同的压差对于气体流速及管内压强的影响，同时验证气体的膨胀不足以及膨胀过度现象，更加真实地模拟了喷管的实际工况。

2）在原实验装置中由于背压是负压，同时在喷管中流速升高压力降低，因此喷管中恒为负压，采用真空表来测定其内部各点的压力。而在此装置中压差为正压差，缩放喷管在喉部之前速度未达到当地音速，压力高于大气压力，所以采用压力表测量；过了喉部之后缩放喷管内的气流速度可以超过当地音速，空气压力小于大气压力，因此换用真空表测量真空度[4]。这也更具体地体现出了渐缩喷管与缩放喷管的不同之处。测喷管内气流流动状况的的压力表、真空表和三通相连，用阀门来控制，这样保证了在换表的过程中喷管内气流的流动状况基本不变，确保实验数据的准确性。这样便要求该实验装置中更方便学生对喷管的性能原理有深一步的理解。

3）在喷管出口处连接小型涡轮机，由喷管内流出的高速空气吹动涡轮机叶片转动，涡轮机带动小型发电机同步转动发电，与发电机连接的小灯泡由于风机转速的不同而亮度不断变化，同时功率表的示数相应变化。随着稳压罐排气阀门调大，灯泡亮度增强，而阀门关小时灯泡也随之变暗。这一现象直观地反应了喷管中气流的流速的变化，进而反应出喷管内压力的变化。通过灯泡亮度和功率表示数，直观反映出喷管出口处气流流速变化，方便地记录达到临界状态时的气压值，同时更加生动模拟喷管工况。

4）相同的流量下，当增大风机与出口的距离时，灯泡亮度下降，减小距离时灯泡亮度逐渐增加。从而验证了风机的转速与风机到喷管出口的距离成比例关系，通过灯泡的亮度变化反映气流通过喷管后的膨胀情况。增加喷管出口测功率这一环节，也是希望通过本实验中小灯泡的亮度变化让学生对喷管中气体的流速有直观的了解，加深对喷管性能与工作原理的了解和认识。

5 实验台的推广

本实验台相比传统的喷管实验台来说，操作简单，实验现象直观生动，与实际生产工况相似，同一实验台可以综合反映喷管多方面的性能的优点，使实验台有很高的利用率。因此，本实验台值得各高校广泛推广使用。

6 结束语

创新是一个民族的灵魂，培养和造就一大批素质优良、勇于创新的人才，是建设创新型国家的迫切需要，也是国家对高校人才培养的根本要求[5]。创新来自于对课堂理论知识的学习理解与思考，是对所学知识的升华。通过这次实验项目，从实验台的方案设计到实验台的搭建以及调试，始终体现学以致用和总结反思的精神。所搭建的实验台也正如设计之初的理念，操作简单，运行良好！

参考文献

[1]叶涛.热力发电厂[M].北京：中国电力出版社， 2009：

13.

[2]罗小燕，李晟，付莹，等.大学生研究性学习与创新实验活动的探讨[J].中国教育技术装备，2011（23）：120-122.

[3]张京平.存在衰减和真实气体效应的激波管激波速度的计算[J].计量学报，2000（1）：45-50.

[4]陈贵堂，王永珍.工程热力学[M].北京：北京理工大学出版社，2008：165.

[5]姚文轩，滕召胜.运用大学生创新性实验计划培养创新能力的实践与思考[J].高等教育研究学报，2010（2）：94-96.