拉瓦爾噴嘴(LAVAL NOZZLE)流動實驗裝置

主要功能與特色

本裝置需搭配 TecQuipment 的空壓機與儲氣槽組件 (AF27a)使用，或其他合適的乾燥清潔壓縮空氣源。實驗目的在演示空氣流經噴嘴進行絕熱膨脹時，在次音速與超音速狀態下的熱力學與流體特性。

其落地式框架包含：

• 壓力室：配有可拆卸頂蓋與噴嘴位移機構。

• 工作檯面：實用的操作空間。

• 壓力調節器：用於維持進口/上游壓力，並配有類比參考壓力錶。

• 三組可互換噴嘴：精密加工且拋光的黃銅噴嘴，並附有可安裝於位移機構上的輪廓模擬板。

• 儀表架：配備數位式壓力與溫度顯示幕。

運作流程

噴嘴安裝於壓力室上，壓縮空氣依序通過壓力調節器與隔離閥，隨後進入壓力室並垂直向下流經噴嘴，再通過下游的精密控制閥。氣流在流經水平管道與孔口後趨於穩定，最後排入大氣。

測量與視覺化系統

• 軸向壓力分佈：配備不鏽鋼探針與手動垂直位移機構，可測量沿著噴嘴軸線的壓力變化。

• 位置模擬指示：位移機構設有噴嘴輪廓模擬板與指針，讓學生在移動探針時，能直觀對應探針目前處於噴嘴的收縮段、喉部或擴張段。

• 數據顯示：儀表架設有數位顯示幕，即時呈現各關鍵點的壓力與溫度。透過孔口兩端的壓差，學生可計算出系統的質量流率（Mass flow）。

• VDAS® 支援：儀表架預留空間可安裝數據擷取系統 VDAS®，可連結電腦進行即時監測、數據紀錄與自動繪圖。

學習成果

• 壓力比與流量的關係：探討收縮噴嘴與收縮-擴張噴嘴在不同壓力比下的流量特性。

• 各種壓力比下的壓力分佈：利用移動式探針，繪製空氣流經噴嘴各個截面的壓力曲線。學生能觀察到在不同背壓下，噴嘴內部如何出現完全擴張、不足擴張或過度擴張的現象。

• 高次音速下的摩擦膨脹研究：在平行通道中研究氣流在接近音速（高次音速）時，管壁摩擦如何影響流體的壓力與速度。這有助於理解 Fanno 流的理論模型，即摩擦如何導致總壓損失並使流體趨向音速。

• 次音速與超音速下的邊界層增長：分析流體速度對邊界層特性的影響。學生將探討在極高流速下，黏滯效應如何改變流場的有效截面積，進而影響噴嘴的排放係數。

• 噴嘴喉部的阻塞流現象 (Choked flow)： 實證當喉部氣流達到音速（$Ma=1$）時，無論如何降低下游壓力，質量流量都無法再增加的阻塞現象。這是可壓縮流體力學中關鍵的物理門檻。