一种负压式拉瓦尔喷管流动特性实验系统及其实验方法

技术领域

本发明属于喷管实验技术领域，具体来说涉及一种负压式拉瓦尔喷管流动特性实验系统及其实验方法。

背景技术

拉瓦尔喷管按照喷管进出口加压方式的不同，可分为正压式和负压式结构方案。正压式就是在喷管入口端加压，喷管出口端置于大气环境中，依靠入口的正压压力驱动气流运动；负压式则采用在喷管出口端抽真空形成负压，喷管入口置于大气环境中，将空气吸入喷管形成超声速气流。目前涉及到喷管实验装置大多采用正压式结构方案，实验费用较高。而市面上存在的负压式结构方案普遍只能测试轴线上的压力参数，其它物理量无法测量。

一方面，虽然参考资料中说明有拉瓦尔喷管的原理及其内部流场的特性，但由于涉及到喷管内流场的相关实验装置大部分只能测试喷管轴线上某一点的压力，不能完成对侧壁压力进行多点测试。使得学生无法对喷管的内部流场特性有一个直观的了解，影响教学效果。另一方面，正压式喷管实验装置成本较高，其扩张比较小、总压不稳定、压力波动较大，喷管内部流场参数不稳定，从而无法根据参数对喷管型面结构优化。

发明内容

本发明的目的之一在于设计一种低成本负压式拉瓦尔喷管流动特性实验系统，易于规模化推广，在此基础上完成对喷管内部流场参数的测量，进一步完成喷管型面结构优化的目的。

本发明的目的之二在于提供一种负压式拉瓦尔喷管流动特性实验系统的实验及教学方法，以解决背景技术中关于喷管实验装置测试参数及数据不完善的问题。

为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：

一种负压式拉瓦尔喷管流动特性实验系统，实验装置和测试组件，所述实验装置包括稳压罐，稳压罐顶部通过连接管与所述喷管连通，稳压罐通过管道与真空泵连通，稳压罐配合设有调压阀；

所述测试组件包括通过三通接头配合设置在喷管入口的接头压力传感器和流量计、与稳压罐配合设置的稳压罐压力传感器、设置在喷管侧壁的若干管壁压力传感器、配合设置在连接管和稳压罐间的测力传感器、设置在连接管侧部的温度传感器和喷管出口压力传感器的一种或多种，所述接头压力传感器、流量计、稳压罐压力传感器、管壁压力传感器、测力传感器、温度传感器、喷管出口压力传感器均与一动态信息采集分析仪配合设置。

优选地，喷管侧壁从上往下依次开设若干螺纹通孔，任一螺纹通孔一端与一不锈钢管连接，不锈钢管和管壁压力传感器间通过卡套接头连接。

优选地，所述连接管和测力传感器间通过螺纹连接，测力传感器内部设置介质流道，连接管内径与介质流道直径一致。

优选地，所述测力传感器和连接管之间设有密封圈。

优选地，所述喷管与连接管螺纹连接，连接管的内径不小于喷管的最大内径。

优选地，所述喷管为锥形型面喷管、双圆弧型面喷管、三次多项式型面喷管。

应用一种应用负压式拉瓦尔喷管流动性实验系统的实验方法，所述实验包括喷管管壁压力测试实验，喷管管壁压力测试试验包括以下步骤：

步骤1：组装试验系统，喷管通过连接管与稳压罐连通，管壁压力传感器从上往下依次设置在喷管侧部，喷管出口压力传感器设置在连接管一侧；

步骤2：开启真空泵，动态信息采集分析仪获取参数，判断喷管落压比是否保持稳定，若是，在稳定后的预设时间内关闭真空泵，通过动态信息采集分析仪获取喷管的管壁压力曲线。

优选地，所述实验还包括喷管流量测试实验，所述喷管流量测试实验包括以下步骤：

步骤1：组装测试系统，将三通接头的一端与喷管的入口连接，三通接头的另两端分别连接流量计和接头压力传感器，喷管通过连接管与稳压罐连接，喷管出口压力传感器设置在连接管一侧；

步骤2：开启真空泵，动态信息采集分析仪获取参数，判断喷管落压比是否保持稳定，若是，在稳定后的预设时间内关闭真空泵，通过动态信息采集分析仪获取稳定后的流量平均值和接头压力。

优选地，所述实验还包括喷管拉力测试实验，所述喷管拉力测试实验包括

步骤1：组装测试系统，喷管与连接管连接，连接管通过测力传感器与稳压罐连通，喷管出口压力传感器设置在连接管侧部；

步骤2：开启真空泵，动态信息采集分析仪获取参数，判断喷管落压比是否保持稳定，若是，在稳定后的预设时间内关闭真空泵，通过动态信息采集分析仪获取稳定后的喷管拉力值。

优选地，所述实验还包括气流温度测试实验，所述气流温度测试实验包括

步骤1：组装测试系统，喷管通过连接管与稳压罐连通，温度传感器设置在连接管侧部；

步骤2：开启真空泵，动态信息采集分析仪获取参数，判断喷管落压比是否保持稳定，若是，在稳定后的预设时间内关闭真空泵，通过动态信息采集分析仪获取稳定后的气流温度及温度变化曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

通过多个管壁压力传感器对喷管内的避免压力进行检测，通过流量计对喷管入口流量进行检测，通过测力传感器进行喷管推力检测，采用温度传感器对喷管出口温度进行测量，实现喷管内部流场特性的测试，直观体现喷管内部的流场特性，从而实现喷管的性能对比及型面结构优化，另一方面该装置和实验方法可作为《流体力学》或《空气动力学》的实验教学装置用于演示空气流动特性实验，以增强教学效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为管壁压力传感器的结构示意图。

图3为实施例1中喷管管壁测压点位置示意图。

图4为本发明实施例4的流量计连接结构示意图。

图5为本发明实施例5的结构示意图。

图6为实施例1中锥形型面喷管的压力变化曲线。

图7为实施例2中双圆弧型面喷管的压力变化曲线。

图8为实施例3中三次多项式型面喷管的压力变化曲线。

图9为实施例4中的稳压罐压力变化曲线。

图10为实施例5中喷管出口压力的变化曲线。

图11为实施例5中的稳压罐压力变化曲线。

图12为实施例6中的温度变化曲线。

图13为喷管的通用尺寸图。

图14为喷管的型面对比图。

图中标记：1-喷管，2-连接管，3-测力传感器，4-稳压罐，5-调压阀，6-管道，7-真空泵，8-管壁压力传感器，9-喷管出口压力传感器，10-接头压力传感器，11-流量计，12-三通接头，13-真空KF快装外丝接头，14-卡套接头，16-不锈钢管。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对发明的技术方案作进一步阐述，本发明要求保护的范围包括但不限于实施例记载的范围。

一种负压式拉瓦尔喷管流动特性实验系统，实验装置和测试组件，如图1所示，所述实验装置包括稳压罐，稳压罐顶部通过连接管与所述喷管连通，稳压罐通过管道与真空泵连通，稳压罐配合设有调压阀；

如图2-5所示，所述测试组件包括通过三通接头配合设置在喷管入口的接头压力传感器和流量计、与稳压罐配合设置的稳压罐压力传感器、设置在喷管侧壁的若干管壁压力传感器、配合设置在连接管和稳压罐间的测力传感器、设置在连接管侧部的温度传感器和喷管出口压力传感器的一种或多种，所述接头压力传感器、流量计、稳压罐压力传感器、管壁压力传感器、测力传感器、温度传感器、喷管出口压力传感器均与一动态信息采集分析仪配合设置。

本发明中，喷管竖直设置，喷管的进口端朝上，喷管的出口端朝下；喷管实验装置中按喷管的安装方式的不同可分为两种，一种是水平放置，另外一种是竖直放置。对于水平放置，其优点是安装方便，易于操作，目前大多关于喷管冷气实验均采用水平放置，但是在在测试推力过程中，难以消除重力对测试的影响误差，测试精度会受到一定程度的影响，因此本发明采用竖直设置的喷管。

喷管下部设置外接螺纹，连接管上部设置内接螺纹，喷管和连接管螺纹连接，同时，喷管通过连接管实现与稳压罐的连通；稳压罐右侧通过管道与真空泵连通，真空泵开启，实现稳压罐内气体向外界的排出，由于实验装置内外的压力差实现气体从外部向喷管上端向下端流入。稳压罐左侧配合设置调压阀，通过调节稳压罐上的调压阀改变稳压罐的压力，旋开调压阀后，空气自调压阀进入到稳压罐，观察稳压罐内的压力读数，再次达到指定压力并平衡后，测试喷管内的壁面压力、推力、流量、温度等数据，即可得到不同出口压力、不同扩张比下的壁面压力、推力、流量、温度等数据。

接头压力传感器、管壁压力传感器、喷管出口压力传感器均为PVG550膜片电阻复合式真空计；本发明中压力传感器的选择通过误差校准实验得到，具体为真空泵的抽吸端与一个三通连接，三通上连接有待测试压力传感器，通过多次测量同一位置的压力值，若压力传感器的重复性较好，则该压力传感器的误差较小；然后以该压力传感器为基准，可以粗略地对连接在三通管上的其它类型的传感器进行校对。通过这种方法可以优选出精度较高的压力传感器，作为本发明的接头压力传感器、管壁压力传感器以及喷管出口压力传感器。

本发明中，连接管仅开设一个通孔,用于安装喷管出口压力传感器或者温度传感器。

所述连接管和测力传感器间通过螺纹连接，测力传感器内部设置介质流道，连接管内径与介质流道直径一致。

本发明中，连接管和测力传感器分别设置相配合的外螺纹和内螺纹，以实现连接管与测力传感器的可拆卸连接；通过设置连接管和测力传感器间的直径，防止连接管和测力传感器间的直径差影响测力传感器的检测数据。

所述测力传感器和连接管之间设有密封圈。通过密封圈保证测力传感器和连接管间的密封可靠性，提高测力传感器的测量数据的准确性。

所述喷管与连接管螺纹连接，连接管的内径不小于喷管的最大内径。

本发明中，通过设置连接管与喷管的内径，防止连接管的内径过小对喷管内的压力造成影响，从而对管壁压力传感器的检测结果造成影响。

本发明的原理为：真空泵在大功率电机带动下开始工作，并将稳压罐内的空气连续不断地抽出来，在喷管出口形成负压环境，使得喷管的落压比NPR（nozzle pressureratio）不断升高并保持稳定。空气介质受到大气压力作用，流经Laval喷管，先收缩再扩张抵达稳压罐，最后通过真空泵排至大气。刚开始，喷管NPR较小，喷管流量也较小，真空泵的抽气量大于喷管入口的进气量，稳压罐内压力持续降低，喷管NPR继续升高；经过一段时间后，Laval喷管内空气流动逐渐达到壅塞，此时喷管流量不再发生变化。当真空泵的自身排气量与喷管的进气量达到相对平衡时，喷管内的流场此时可看作是流动。在喷管的收缩段，气流由静止状态逐渐加速到亚声速，并在喉部达到声速；在扩张段，气流进一步加速，最终形成超声速气流。

一种负压式拉瓦尔喷管流动性实验系统的实验方法，该实验包括喷管管壁压力测试实验、喷管流量测试实验、喷管拉力测试实验、气流温度测试实验。

实施例1，锥形型面喷管管壁压力测试试验，具体包括以下步骤：

步骤1：组装试验系统，将锥形型面喷管通过连接管与稳压罐连通，管壁压力传感器从上往下依次设置在喷管侧部，喷管出口压力传感器设置在连接管一侧。

更具体的，锥形型面喷管侧壁从上往下依次开设10个螺纹通孔，螺纹通孔的位置参照图3所示，任一螺纹通孔一端与一不锈钢管连接，不锈钢管和管壁压力传感器间通过卡套接头连接，为了尽量减少管壁测压点的螺纹通孔对喷管内流场的干扰，壁面螺纹通孔直径选择为0.5mm。

本发明中，不锈钢管为L型，且所有不锈钢管的高度不同，安装时按高度从低到高依次安装不锈钢管，不锈钢管与卡套接头通过螺纹连接，将管壁压力传感器卡接在卡套接头上，实现管壁压力传感器的快速拆卸，方便使用，同时通过不锈钢管与卡接套头的模式将管壁压力引出进行测量，扩展了管壁压力传感器的安装空间，解决了多个管壁压力传感器安装困难的难题。

步骤2：开启真空泵，动态信息采集分析仪获取参数，判断喷管落压比是否保持稳定，若是，在稳定后的预设时间内关闭真空泵，通过动态信息采集分析仪获取喷管的管壁压力曲线。

本发明中，测试当天的大气压为102.09KPa，温度为295.35K，湿度为77%。动态信息采集分析仪可采集传感器的检测数据，通过判断喷管出口压力传感器中的喷管出口压力是否在预设时间内恒定不变，来判断喷管落压比是否保持稳定，若是，则关闭真空泵。动态信息采集分析仪获取的锥形型面喷管的第1-4位置的管壁压力变化如图6所示，图6（a）表示第1个位置的管壁压力变化情况，图6（b）表示第2个位置的管壁压力变化情况，图6（c）表示第3个位置的管壁压力变化情况，图6（d）表示第4个位置的管壁压力变化情况。

实施例2，双圆弧型面喷管管壁压力测试试验，将实施例1的锥形型面喷管更换为双圆弧型面喷管，并执行与实施例1中步骤2相同的操作，得到双圆弧型面喷管的第1-4位置的管壁压力变化如图7所示，图7（a）表示第1个位置的管壁压力变化情况，图7（b）表示第2个位置的管壁压力变化情况，图7（c）表示第3个位置的管壁压力变化情况，图7（d）表示第4个位置的管壁压力变化情况。

实施例3，三次多项式型面喷管管壁压力测试试验，将实施例2的双圆弧型面喷管更换为三次多项式型面喷管，并执行与实施例1中步骤2相同的操作，得到三次多项式型面喷管的第1-4位置的管壁压力变化如图8所示，图8（a）表示第1个位置的管壁压力变化情况，图8（b）表示第2个位置的管壁压力变化情况，图8（c）表示第3个位置的管壁压力变化情况，图8（d）表示第4个位置的管壁压力变化情况。

由实施例1-3可知，锥形型面、双弧线型面和三次多项式型面的壁面压强P1～P4变化趋势一致，都是由大气压逐渐降低并趋于稳定。对比发现，锥形型面喷管与后面两种型面喷管的壁面压力差别较大，锥形喷管内部的压力普遍偏大，这与锥形喷管扩张度较小、扩张面积比小是一致的。双圆弧和3次多项式的壁面压力差距很小，差别最大的为P2，为3.7%的差距，可见二者流动状态并无明显的差异性。

实施例4，喷管流量测试实验，具体为：

步骤1：组装测试系统，将三通接头的一端与喷管的入口连接，三通接头的另两端分别连接流量计和接头压力传感器，喷管通过连接管与稳压罐连接，喷管出口压力传感器设置在连接管一侧。

本发明中，三通接头为T型，与三通接头配合设置的喷管的进口端设置有外接螺纹，实现与三通接头的下部接头的螺纹连接，三通接头的左端接头通过真空KF快装外丝接头与接头压力传感器连通，右端则连通流量计，这里的流量计为浮子流量计，浮子流量计竖直设置，且进气端设置在下部。

步骤2：开启真空泵，动态信息采集分析仪获取参数，判断喷管落压比是否保持稳定，若是，在稳定后的预设时间内关闭真空泵，通过动态信息采集分析仪获取稳定后的流量平均值和接头压力。

本发明中，由于空气是从浮子流量计的下端的进气口进入，从浮子流量计的上端出气口流出，依次进入三通接头、喷管，因此，喷管的进气端的气压与外部大气压是不一致的，通过设置接头压力传感器，获取此时喷管进气端的气压，基于喷管进气端的气压，计算理论流量值，而不是基于外界大气压计算理论流量值，降低实际检测的流量值与理论值的误差。

更具体的，这里的喷管为侧部未开设螺纹通孔的锥形型面喷管，测试得到入口总压：78200Pa，测试得到的流量平均值为6.6m

实施例5，喷管拉力测试实验，具体为：

步骤1：组装测试系统，喷管与连接管连接，连接管通过测力传感器与稳压罐连通，喷管出口压力传感器设置在连接管侧部。

步骤2：开启真空泵，动态信息采集分析仪获取参数，判断喷管落压比是否保持稳定，若是，在稳定后的预设时间内关闭真空泵，通过动态信息采集分析仪获取稳定后的喷管拉力值。

本实施例的测试当天气压为102.09KPa，温度为295.25K，湿度为75%，完成了测力实验，测到侧部未设置螺纹通孔的锥形型面喷管内部产生了拉力，为85N；同时通过动态信息采集分析仪得到喷管出口压力压力曲线10所示，稳定后压力为3005Pa，稳压罐压力曲线如图11所示，稳定后压力为3001Pa；这里需要注意的是，测力实验中，力传感器读数并非实际喷管产生的力，而是由于内部抽真空后应变片受压后产生的压力信号。

实施例6，气流温度测试实验，具体为：

步骤1：组装测试系统，喷管通过连接管与稳压罐连通，温度传感器设置在连接管侧部。

步骤2：开启真空泵，动态信息采集分析仪获取参数，判断喷管落压比是否保持稳定，若是，在稳定后的预设时间内关闭真空泵，通过动态信息采集分析仪获取稳定后的气流温度及温度变化曲线。

本实施例中，锥形型面喷管的温度变化曲线如图12所示，经过1700s，温度最终稳定在130K左右。

本发明中，需要说明的是，所有实施例中提到的锥形面喷管、双圆弧型面喷管及三次多项式型面喷管参照图14所示，锥形面喷管的扩张角为17.23°；对双圆弧型面喷管和三次多项式型面喷管，其通用喷管尺寸如图13所示；双圆弧采用作图法，扩展段圆弧半径为206.76；三次抛物线型线为：y=ax3+bx2+cx+d，其中a= 4.2838e-05，b=-0.0088，c= 0.6902，d= 3.6631；锥形面喷管、双圆弧型面喷管以及三次多项式型面喷管均为亚克力材质且三者间的喉部半径、扩张段长度、喉部上下游曲率半径、初始扩张角、出口扩张角均一致，喉部半径R

本发明中，可通过上述实验测试得到喷管内部的流场特性，包括管壁压力、入口流量、喷管温度等，通过测试得到的流场特性可实现对喷管结构的优化。