[0001] 本发明涉及工程热力学、流体力学实验教学领域，具体是一种水气比拟实验装置及实验方法。

[0002] 可压缩气体在流动过程中，当流动速度小于当地音速时称亚音速流动；当流动速度大小当地音速时称超音速流动。能够使气体产生降压增速效果的管道叫喷管，喷管分为
两种：一种是渐缩喷管，另一种是缩放喷管。渐缩喷管可以使气体流速增大最大增大到当地
音速；缩放喷管前端段为渐缩喷管，后半段为渐扩喷管，可以使气体流速从亚音速流速增大
到当地音速后，继续提高流体流速到超音速。

[0003] 缩放喷管的工作原理涉及工程热力学、流体力学等多个能源动力类专业基础课程知识，学生对初压、背压对流动状态的影响，以及膨胀波与激波等汽体动力学概念难以理
解。目前开展缩放喷管气动特性实验大多以测量为主，且难以让学生对一些概念有直观的
印象。目前有通过纹影仪观察喷管产生的激波现象，但成本很高，且缩放喷管对气源也有很
高的要求，也难以做到随意的初、背压演示。还有通过仿真的手段，计算不同情况的喷管内
部的流动现象，但仿真手段缺乏实验的真实性和学生的感性认识。

[0030] 下面结合附图1到图7，对本发明的具体实施方式进行详细描述。在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以
特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0031] 术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0032] 实施例1

[0033] 如图1到图2所示，本发明实施例提供一种水气比拟实验装置，包括水槽、流道1、第一水箱6、第二水箱2、第一液面高度调节组件、第二液面高度调节组件和绕流物体；流道1开设在水槽内，流道1具有入口端11和出口端12，流道1由入口端11至出口端12之间依次设有
收缩段和扩张段，收缩段的口径逐渐减小，扩张段的口径逐渐增大；第一水箱6与流道1的入
口端11连通；第二水箱2与流道1的出口端12连通；第一液面高度调节组件设置在第一水箱6
处，用于调节第一水箱6内的液面高低；第二液面高度调节组件设置在流道1靠近出口端12
的一侧；绕流物体用于摆放在流道1中。

[0034] 本实施例中，通过水在流道1中流动进行实验，模拟气体在缩放喷管中的流动。通过向流道1中放置不同的扰流物体，使水面产生表面波，模拟气体在缩放喷管中受到扰动后
扰动波的运动情况。水流速度变化可模拟气体在喷管中的流速变化，水液位的高低可模拟
气体在喷管内压力的大小，可根据需求更换不同形状的绕流物体产生不同形式的扰动波。
通过第一液面高度调节组件能够调节阀调整第一水箱6的液面高低，模拟缩放喷管进口压
力变化后对喷管内气体流动的影响。通过在流道1的出口端12处设置第二液面高度调节组
件，利用第二液面高度调节组件来阻止水流到第二水箱2后，随着液位的上升，模拟缩放喷
管出口压力变化后对喷管内气体流动的影响。

[0035] 具体的，如图1所示，第一液面高度调节组件包括循环水泵3和调节阀4，循环水泵3的输入端与第二水箱2连通，循环水泵3的输出端与调节阀4的输入端连通，调节阀4的输出
端与第一水箱6连通，通过开大或关小调节阀来实现调整第一水箱6的液面高低，从而模拟
缩放喷管进口压力变化后对喷管内气体流动的影响。

[0036] 具体的，如图1所示，第二液面高度调节组件为挡板7，水槽的两侧内壁上设有滑槽，挡板7与滑槽滑动连接，通过挡板7能够阻止水流到第二水箱2，随着液位的上升，模拟缩放喷管出口压力变化后对喷管内气体流动的影响。

[0037] 进一步的，为了减小流道1进口的水面波动，使流动更加稳定，因此还包括整流栅5，整流栅5设置在第一水箱6中的进水口的上方，用于稳定流场。

[0038] 更进一步的，如图3到图5所示，绕流物体包括圆杆8、圆柱体9、凸棱面10。

[0039] 本发明的另一实施例中还公开了一种基于上述水气比拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

[0040] 当对不同流速下气流中小扰动的传播进行模拟实验时：

[0041] 分别在流道1的收缩段和扩张段中，竖直放置圆杆8产生小扰动，观察各种不同流动状况下，小扰动的传播方式及范围；

[0042] 当对超音速气流中激波的气体动力学特性进行模拟实验时：

[0043] 在流道1的扩张段中放入圆柱体9，观察圆柱体9上游出现了一道垂直于来流并且水面高度变化很大的激波，此激波为正激波。

[0044] 在流道1的扩张段中放入凸棱柱10，可观察到产生了斜激波，此时水面高度变化较小，因此阻力也较小；和来流夹角小于180°的绕流物面可观察到产生激波处的水面上升，称
为压缩波；和来流夹角大于180°的绕流物面可观察到产生激波处的水面下降，称为膨胀波。

[0045] 其中，所有绕流物体高度均大于100mm，且圆杆8的直径和高度比小于0.02，使得圆杆8竖直放在流道1的扩张段11中时接近一个点扰动，会产生三角形状的两道斜激波，用于
模拟超音速流体中的马赫锥现象，参照图6中的a所示。若圆杆8的直径和高度比大于0.02
时，三角形状头部会出现圆弧状，无法进行模拟，参照图6中的b所示；圆柱体9的直径和高度比大于0.25，竖直放在流道1的扩张段中时会产生一个直线状的激波面，参照图7中的c所
示，如果圆柱体9的直径和高度比大于0.25可能会出现弯曲现象，参照图7中的d所示。

[0046] 当对超音速喷管变工况进行模拟实验时：

[0047] 通过开大或关小调节阀4来调整第一水箱的液面高低，利用液面高低来模拟缩放喷管进口压力变化后对喷管内气体流动的影响。

[0048] 通过在流道1的靠近第二水箱2的一侧放置挡板7，通过挡板7阻止水流到第二水箱2内，使得流道内的液位上升，利用上升的液位来模拟缩放喷管出口压力变化后对喷管内气
体流动的影响，观察突跃压缩波的移动。

[0049] 其中，在流道收缩段，水的流速较慢，称为缓流，用于比拟气体亚音速流动；在流道扩张段，水的流速较快，称为急流，用于比拟气体超音速流动；在流道喉部，水的流速称为水在当地的重力波传播速度，用于比拟气体的音速流动。

[0050] 以上公开的仅为本发明的较佳地几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。