新型噴管綜合實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)*

◆劉泰秀 矯振偉 金英愛 周江龍 薛寧 呂中原

作者：劉泰秀、矯振偉、周江龍、薛寧、呂中原，吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院、汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；金英愛，通訊作者，吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院、汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，研究方向?yàn)樾履茉磁c節(jié)能技術(shù)（130025）。

噴管是指通過改變管段內(nèi)壁的幾何形狀以加速氣流的一種裝置。噴管類型很多，有固定的或可調(diào)的收斂噴管、收斂—擴(kuò)散噴管、引射噴管和塞式噴管等。噴管常常出現(xiàn)在日常的生活、生產(chǎn)當(dāng)中。生活當(dāng)中的許多方面應(yīng)用到噴管的特性，特別是在熱力學(xué)當(dāng)中會(huì)經(jīng)常接觸到一些與噴管特性有關(guān)的現(xiàn)象。

在科技發(fā)展迅猛的當(dāng)今社會(huì)，噴管技術(shù)不僅應(yīng)用在日常的生活用品當(dāng)中，還被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器和火力發(fā)電等設(shè)備中。如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)利用縮放—漸縮噴管可以極大地使渦輪流出的燃?xì)馀蛎浖铀伲谷細(xì)庵械囊徊糠朱兽D(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，提高燃?xì)獾乃俣龋a(chǎn)生較大推力的同時(shí)通過調(diào)節(jié)噴管的臨界面積改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，這也是二維矢量噴管的工作原理。又如，在依靠火力發(fā)電為主的我國，火力發(fā)電的效率非常低，只有35%左右，而在火力發(fā)電中提高效率的方法之一就是提高燃料的燃燒程度，這可以通過燃料在爐膛內(nèi)的噴射程度解決[1]。所以對噴管的進(jìn)一步認(rèn)識和優(yōu)化能使人們更加充分利用資源，符合節(jié)能減排的低碳經(jīng)濟(jì)的基本方針。可見認(rèn)識噴管，了解噴管的性能，對當(dāng)代大學(xué)生來說非常有必要，特別是對熱能動(dòng)力相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來說，對噴管的學(xué)習(xí)是一門必修課。

然而對事物規(guī)律最直觀、最真實(shí)的反應(yīng)是通過實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的。噴管的實(shí)驗(yàn)可以加深對噴管實(shí)際特性的認(rèn)識，更深刻地了解噴管的相關(guān)特性，為以后對噴管的學(xué)習(xí)與應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過大學(xué)期間進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，可以大幅度提高學(xué)生的實(shí)際操作動(dòng)手能力，同時(shí)可以加深學(xué)生對所學(xué)知識的認(rèn)識，從本質(zhì)上進(jìn)行了解，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[2]。因此，很有必要建設(shè)一套新型噴管實(shí)驗(yàn)平臺，來驗(yàn)證噴管的綜合實(shí)驗(yàn)特性。

1 新型噴管實(shí)驗(yàn)臺的提出

工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)“噴管內(nèi)氣體流動(dòng)特性曲線”為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證氣體在噴管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的壓力特性曲線和流量特性曲線。目前，國內(nèi)各個(gè)高校的測定噴管內(nèi)氣體流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置主要是通過真空泵降低噴管的背壓而與大氣壓形成壓差，對流經(jīng)噴管的氣流進(jìn)行加速，進(jìn)而測定噴管的各項(xiàng)性能。但是，這套實(shí)驗(yàn)方案有許多不足之處。由于壓差的最大值為一個(gè)大氣壓，因而限制了噴管兩端壓力差的提高；同時(shí)在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，這種由于大氣壓高于背壓而形成壓差的現(xiàn)象極為少見，不能夠真實(shí)、直觀地反應(yīng)噴管的工作特性。相反，例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、灌溉用的噴管等，都是利用提高噴管落壓比的方法來改變噴管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)參數(shù)。

正是由于上述缺點(diǎn)，為了使相應(yīng)專業(yè)的學(xué)生更深刻認(rèn)識噴管，更好地掌握所學(xué)的相關(guān)知識，并進(jìn)一步加深對噴管中氣流基本規(guī)律的理解。我們提出了一套新型噴管實(shí)驗(yàn)臺建設(shè)的方案，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖

2 新型實(shí)驗(yàn)臺的工作原理以及操作步驟

工作原理本實(shí)驗(yàn)臺主要由壓氣機(jī)、浮子流量計(jì)、穩(wěn)壓罐、噴管、氣體壓力探針、功率表、渦輪機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、功率表等主要部件組成。其運(yùn)行流程是：氣體→壓氣機(jī)→空氣干燥裝置→浮子流量計(jì)→穩(wěn)壓罐→噴管→渦輪機(jī)。氣體經(jīng)過壓氣機(jī)的壓縮后形成的高壓空氣流經(jīng)空氣干燥裝置消除空氣內(nèi)部的水分，確保后續(xù)測量準(zhǔn)確。由于壓氣機(jī)壓縮后的空氣壓力不穩(wěn)定，需要流進(jìn)穩(wěn)壓罐進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后的高壓氣體使噴管入口壓力大于出口壓力，保證了噴管的正壓運(yùn)行，經(jīng)噴管加速后的氣流通過渦輪機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)運(yùn)作，進(jìn)而把氣流做功能力以電功率的形式體現(xiàn)出來。通過可調(diào)節(jié)式氣體壓力傳感器以及浮子流量計(jì)來測定不同噴管實(shí)驗(yàn)工況條件下的氣體壓力，來描繪出噴管氣體壓力特性曲線以及流量特性曲線、確定噴管的臨界壓力比。同時(shí)還可以在壓差恒定的前提下調(diào)節(jié)渦輪機(jī)與噴管出口間的距離，來定性反應(yīng)氣體膨脹激波對氣體能量損失的影響[3]。在該實(shí)驗(yàn)平臺上可以全面反映噴管的相關(guān)特性。

操作步驟

1）關(guān)閉穩(wěn)壓罐上部閥門，打開穩(wěn)壓罐下部閥門，接通壓氣機(jī)電源對穩(wěn)壓罐進(jìn)行儲氣。調(diào)整好風(fēng)機(jī)位置，使風(fēng)機(jī)葉片正對氣流方向。

2）待壓力合適后，緩慢打開穩(wěn)壓罐上方閥門，調(diào)節(jié)壓力在大于、等于、小于臨界壓力等不同工況下，分別記錄流量計(jì)的示數(shù)。同時(shí)在不同工況下轉(zhuǎn)動(dòng)探針移動(dòng)機(jī)構(gòu)的手輪，使其從噴管入口逐步移動(dòng)到噴管出口，記錄不同位置時(shí)的氣壓值（期間需要控制氣體壓力表的開關(guān)，及時(shí)切換氣壓表與真空表）。

3）調(diào)整渦輪風(fēng)機(jī)與噴管出氣口距離保持一定時(shí)，記錄噴管在不同壓差下功率表的示數(shù)，同時(shí)觀察小燈泡的發(fā)光情況。

4）保持噴管壓差一定的情況下調(diào)節(jié)噴管氣體出口與風(fēng)機(jī)的距離，記錄功率表的示數(shù)，觀察小燈泡的發(fā)光情況。

5）待數(shù)據(jù)測定完畢后，停止壓氣機(jī)工作，待把實(shí)驗(yàn)裝置中的剩余氣體排凈后，關(guān)閉穩(wěn)壓罐上部閥門，結(jié)束本次試驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、圖2。

誤差分析

1）實(shí)驗(yàn)裝置誤差。本實(shí)驗(yàn)裝置中采用氣體壓力探針來測定噴管內(nèi)部各點(diǎn)的壓力值，氣體在探針內(nèi)部流動(dòng)時(shí)會(huì)受到摩擦阻力導(dǎo)致所測定的氣壓有所偏差；此外，實(shí)驗(yàn)中用到的氣壓表、浮子流量計(jì)、功率表都會(huì)導(dǎo)致一定的測量誤差。

2）其他誤差。在測量的過程中，實(shí)驗(yàn)裝置某些環(huán)節(jié)不可避免地出現(xiàn)一定的漏氣現(xiàn)象，同時(shí)人為讀數(shù)誤差等也會(huì)造成一定的誤差。

在本實(shí)驗(yàn)裝置中某些環(huán)節(jié)存在的誤差對實(shí)驗(yàn)臺的測試目的不會(huì)造成很大的影響，本實(shí)驗(yàn)主要還是定性地反應(yīng)噴管的相關(guān)特性，驗(yàn)證氣體經(jīng)噴管加速后在做功能力方面的性質(zhì)。

4 本實(shí)驗(yàn)臺特色之處

1）將氣源裝置改成了壓氣機(jī)，并安裝在裝置的進(jìn)氣口，而排氣口為大氣壓力保持不變。經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后的高壓氣體輸入到穩(wěn)壓罐進(jìn)行穩(wěn)壓，通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓罐出口氣體閥門的開度來靈活改變噴管兩端的壓差，測量不同的壓差對于氣體流速及管內(nèi)壓強(qiáng)的影響，同時(shí)驗(yàn)證氣體的膨脹不足以

表1 實(shí)驗(yàn)壓力、流量所測數(shù)據(jù)

及膨脹過度現(xiàn)象，更加真實(shí)地模擬了噴管的實(shí)際工況。

圖2 噴管壓力特性曲線

2）在原實(shí)驗(yàn)裝置中由于背壓是負(fù)壓，同時(shí)在噴管中流速升高壓力降低，因此噴管中恒為負(fù)壓，采用真空表來測定其內(nèi)部各點(diǎn)的壓力。而在此裝置中壓差為正壓差，縮放噴管在喉部之前速度未達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲瑝毫Ω哂诖髿鈮毫Γ圆捎脡毫Ρ頊y量；過了喉部之后縮放噴管內(nèi)的氣流速度可以超過當(dāng)?shù)匾羲伲諝鈮毫π∮诖髿鈮毫Γ虼藫Q用真空表測量真空度[4]。這也更具體地體現(xiàn)出了漸縮噴管與縮放噴管的不同之處。測噴管內(nèi)氣流流動(dòng)狀況的的壓力表、真空表和三通相連，用閥門來控制，這樣保證了在換表的過程中噴管內(nèi)氣流的流動(dòng)狀況基本不變，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這樣便要求該實(shí)驗(yàn)裝置中更方便學(xué)生對噴管的性能原理有深一步的理解。

3）在噴管出口處連接小型渦輪機(jī)，由噴管內(nèi)流出的高速空氣吹動(dòng)渦輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪機(jī)帶動(dòng)小型發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，與發(fā)電機(jī)連接的小燈泡由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同而亮度不斷變化，同時(shí)功率表的示數(shù)相應(yīng)變化。隨著穩(wěn)壓罐排氣閥門調(diào)大，燈泡亮度增強(qiáng)，而閥門關(guān)小時(shí)燈泡也隨之變暗。這一現(xiàn)象直觀地反應(yīng)了噴管中氣流的流速的變化，進(jìn)而反應(yīng)出噴管內(nèi)壓力的變化。通過燈泡亮度和功率表示數(shù)，直觀反映出噴管出口處氣流流速變化，方便地記錄達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的氣壓值，同時(shí)更加生動(dòng)模擬噴管工況。

4）相同的流量下，當(dāng)增大風(fēng)機(jī)與出口的距離時(shí)，燈泡亮度下降，減小距離時(shí)燈泡亮度逐漸增加。從而驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)到噴管出口的距離成比例關(guān)系，通過燈泡的亮度變化反映氣流通過噴管后的膨脹情況。增加噴管出口測功率這一環(huán)節(jié)，也是希望通過本實(shí)驗(yàn)中小燈泡的亮度變化讓學(xué)生對噴管中氣體的流速有直觀的了解，加深對噴管性能與工作原理的了解和認(rèn)識。

5 實(shí)驗(yàn)臺的推廣

本實(shí)驗(yàn)臺相比傳統(tǒng)的噴管實(shí)驗(yàn)臺來說，操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀生動(dòng)，與實(shí)際生產(chǎn)工況相似，同一實(shí)驗(yàn)臺可以綜合反映噴管多方面的性能的優(yōu)點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)臺有很高的利用率。因此，本實(shí)驗(yàn)臺值得各高校廣泛推廣使用。

6 結(jié)束語

創(chuàng)新是一個(gè)民族的靈魂，培養(yǎng)和造就一大批素質(zhì)優(yōu)良、勇于創(chuàng)新的人才，是建設(shè)創(chuàng)新型國家的迫切需要，也是國家對高校人才培養(yǎng)的根本要求[5]。創(chuàng)新來自于對課堂理論知識的學(xué)習(xí)理解與思考，是對所學(xué)知識的升華。通過這次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從實(shí)驗(yàn)臺的方案設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)臺的搭建以及調(diào)試，始終體現(xiàn)學(xué)以致用和總結(jié)反思的精神。所搭建的實(shí)驗(yàn)臺也正如設(shè)計(jì)之初的理念，操作簡單，運(yùn)行良好！

[1]葉濤.熱力發(fā)電廠[M].北京：中國電力出版社， 2009：13.

[2]羅小燕，李晟，付瑩，等.大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的探討[J].中國教育技術(shù)裝備，2011(23)：120-122.

[3]張京平.存在衰減和真實(shí)氣體效應(yīng)的激波管激波速度的計(jì)算[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2000(1)：45-50.

[4]陳貴堂，王永珍.工程熱力學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：165.

[5]姚文軒，滕召勝.運(yùn)用大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃培養(yǎng)創(chuàng)新能力的實(shí)踐與思考[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2010(2)：94-96.