Исследование истечения воздуха из суживающегося сопла. Методические указания к выполнению лабораторной работы №23

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра промышленной теплоэнергетики

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ВОЗДУХА ИЗ СУЖИВАЮЩЕГОСЯ СОПЛА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторной работы № 23

Составитель Ю.В. Шацких

Липецк Липецкий государственный технический университет

2013

УДК 620.9 (07) Ш 326

Рецензент А.И. Шарапов

Шацких, Ю.В.

Ш 326 Исследование истечения воздуха из суживающегося сопла [Текст]: методические указания к выполнению лабораторной работы № 23/ сост. Ю.В. Шацких. – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2013. – 12 с.

Рассмотрены основные закономерности течения газов в соплах. Приведена методика расчетного и экспериментального определения массового расхода газа в суживающемся сопле.

Предназначены для студентов второго курса физико-технологического факультета, специальности «Промышленная теплоэнергетика», изучающих дисциплину «Термодинамика».

Табл. 3. Ил. 2. Библиогр.: 1 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2013

2

3

Условные обозначения

h1, h2, h – удельная энтальпия газа соответственно на входе в сопло, на выходе из него и в промежуточном поперечном сечении, Дж/кг

w1, wв, wк, w – скорость движения газа соответственно во входном сечении сопла, на выходе из него, критическая и в промежуточном по-

4

Цель работы: ознакомиться с закономерностями истечения газов в соплах. Опытным путём найти зависимость массового расхода воздуха через суживающееся сопло от отношения давлений за соплом р2 и на входе в сопло р1 при следующих условиях:

а) при р1=сonst; р2=war; б) при р1=war; р2=сonst.

Сравнить экспериментальные и теоретические зависимости для этих случаев. Определить коэффициенты расхода.

1. Основные теоретические сведения

Для установившегося движения газа массовый расход через любое поперечное сечение канала может быть определён из уравнения неразрывности:

Для адиабатического течения без трения при скорость истече-

ния газа (скорость на срезе сопла) находят из выражения первого закона термодинамики для газового потока

Теоретический массовый расход газа через суживающееся сопло при рассчитывают по формуле

В этом случае p2=pc.

Анализ уравнения (3) показывает, что для увеличения расхода газа через сопло при постоянных начальных параметрах следует уменьшать отношение давлений . При значении скорость газа w2 достигает мак-

симального (критического) значения wк, равного скорости звука

. Расход при этом также становится максимальным. Критиче-

5

ское отношение давления зависит от атомности газа и для воздуха равно

0,528.

Максимальное значение расхода следует вычислять по формуле, получаемой из выражения (3) при k=1,41 и :

Уменьшение ниже критического значения не приводит к измене-

нию расхода. В этих условиях движение среды pс не влияет на распределение давлений в сопле, оставаясь таким же, что и при критическом значении .

Возмущения давления, которые распространяются в газе со скоростью звука, равной скорости истечения струи, не могут подняться вверх к соплу.

При ускорении потока газа в дозвуковом диапазоне скоростей увеличение скорости происходит более интенсивно, чем уменьшение плотности. В соответствии с уравнением (2) это означает, что при постоянном расходе про-

филь сопла должен быть суживающимся. При ускорении потока в сверхзвуковой области картина обратная, а профиль сопла в этом случае следует выбирать расширяющимся.

Для получения сверхзвуковых скоростей истечения применяют комбинированные сопла (Лаваля). Сопло Лаваля состоит из сужающейся части, где поток разгоняется до скорости звука, и расширяющейся, в которой происходит дальнейшее ускорение газа до сверхзвуковых скоростей.

В данной работе рассматривается истечение через суживающееся сопло. Наличие сил трения в реальном потоке газа делает изоэнтропийный процесс истечения необратимым адиабатным. Часть кинетической энергии потока

затрачивается на преодоление сил трения и переходит в теплоту. Как следствие, энтальпия газа на выходе из сопла h2 увеличивается, а скорость истечения уменьшается (см. формулу (2). По той же причине действительный расход меньше теоретического. Отношение действительного расхода к теоретическому называют коэффициентом расхода

6

С увеличением скорости истечения газа из сопла коэффициент расхода возрастает. Его значение определяют опытным путём.

2. Описание экспериментальной установки

Схема установки показана на рис. 1. Воздух от мембранного компрессора 1 подаётся по трубке 3 к суживающемуся соплу 6. Сопло выполнено с плавным сужением. Его входной диаметр 17 мм, а выходной 1 мм. Эскиз сопла показан на рис. 2. Давление воздуха перед соплом поддерживают постоянным с помощью вентиля 2, а за соплом регулируют вентилем 9. Давление перед соплом и на выходе из него измеряют манометрами 7 и 8. Действительный расход воздуха измеряют с помощью диафрагмы 4 и микроманометра 5. Температуру воздуха определяют по термометру 10. Атмосферное давление измеряют барометром 11.

Рис. 1. Схема опытной установки

7

II серия опытов: определение влияния противодавления на величину расхода воздуха через сопло.

После запуска компрессора давление перед соплом следует поддерживать постоянным и равным (по манометру) p1=0,8…1,2 кгc/см2. Давление за соплом регулируют вентилем 9. В первом опыте вентиль 9 полностью закрыт. В каждом из последующих опытов степень открытия вентиля 9 увеличивают. Следует провести 8…10 опытов. Снимают показания всех приборов для каждого опыта в той же последовательности, что и в I серии опытов. Результаты заносят в журнал наблюдений.

4.Обработка результатов опыта и проведение

теоретических расчётов

В расчётах используют систему СИ.

1.Измеренные давления, в том числе и барометрическое, переводят в Па.

2.Абсолютное давление воздуха перед соплом: ; за соплом

.

3. Действительный расход воздуха определяют по перепаду давления h, используя градуировочную кривую измерительной диафрагмы (см. приложение).

Теоретический расход воздуха определяют по формуле (3) при и по формуле (4) при . Коэффициент расхода

для сопла вычисляют по формуле (5).

9

Результаты вычислений сводят в таблицу.

По данным таблицы строят графические зависимости:

1)для I серии опытов – зависимости и от p1 при p2=const;

2)для II серии опытов зависимость и от ;

3)зависимость от .

5. Анализ результатов

По построенным графикам дают объяснение характера изменения действительного и расчётного расходов воздуха от исследуемых параметров.

10