临界流流量计研究与设计

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1、1绪论硕士学位论文2)当外界压强￡降到昱时，气流速度在收缩段加速至喉部恰好达到声速(临界)，由于出口处压强还高，气流在扩张段上又减速为亚声速流动。3)当外界压强￡降至只时，此时R／忍的比值使气流在喉部达到声速后，在扩张段继续加速直至出口都为超声速。4)当外界压强满足B<乞<昱时，气流速度在喷管喉部达到声速，在扩张段继续加速一段，以后形成正激波，波后气流减速至亚声速。通过上面的分析，如果入口压力和出口压力达到一定的比值，喷管就会达到临界流流动状态。此时喷管喉部速度达到音速，流量就不再受下游压力变化的影响。由于微小压力波动的传播是以音速进行的，当下游压力变化时，它借助气流为载体，以音速传播到上游喉

2、部，但是由于喉部的气流是以音速向下游流动，这样压力的变化就无法到达喉部。1．1．2流量计算公式对于理想临界流的存在，必须具备三个条件：1)一维流动；2)等熵流动；3)气体为完全气体。在上述条件下，临界流文丘里喷嘴的质量流量通过下面公式计算：4G；环‰=祷n^2J’对于真实条件下的流量，其临界流量公式变为：2．一4G‰铲赢(1．1．2．2)或％=A．CCR(poPo)172(1．1．2．3)其中州乏岳舟2n，24)q=C．露彪(1．1．2．5)这里Zo为喷管入口在滞止条件下的压缩系数。zo=PoM／poR毛(1．1．2．6)式中临界流函数G是入I=1和喉部之间以一维、流动热力学特性的无量纲函数，

3、硕士学位论文临界流流量计的研究与设计是气体性质和滞止条件的函数。当气体为完全气体时，C变为完全气体临界流函数C．，。由于非一维流动和粘性的影响存在一个附面层，所以流出系数C的值小于1。因此，只要保证文丘里喷嘴处于临界流状态，就可以利用公式(1．1．2．2)计算出喷嘴的质量流量。而且对于一定的气体，临界流文丘里喷嘴的质量流量只与上游的滞止压力和滞止温度有关，这样就可以通过改变上游的滞止条件来控制流量，而与下游的压力没有关系。1．1．3临界条件临界流流量计使用的前提是保证l临界流条件。对于一维等熵流动，气体沿流线的压强比与马赫数Ma有下列关系式：告=(1+孚Ma2声镍1．3．1)当文丘里喷嘴处于临

4、界流状态时，其喉部Ma=l，则喷管喉部压强与上游滞止压强之比为：鲁=(掣)盖孤3．2)一=●一-“‘，，11，，'、n、^，、■·■·J·l，气么对于空气，彤=1．4，可以算出只／异=0．528。公式(1．1．3．2)即为临界流流量计的临界条件。另外，实际应用中还可以根据喷嘴出口压力与上游滞止压力的比值来判断临界流状态。在临界流状态下，喷嘴出口的静压力和上游滞止压力之比称为背压比。从前面的分析可知，存在一个维持临界流状态允许的临界背压比。当喷嘴出口静压力与上游滞止压力之比超过了这一值，就会破坏临界流状态，此时可以通过提高上游滞止压力的方法来保证临晃流条件。1．1．4临界流流量计的特点相比其它标

5、准节流装置，临界流流量计的主要特点如下：1)工作原理较清晰，基本上可用一个半经验公式表示，因此在原始标准上标定的流出系数可应用在不同的操作条件下而保持其精确度。2)所测量的气体质量流量只取决于喷嘴上游的流体参数，而且与入口滞止压力成线性关系，所测信号为绝对压力而非差压，因此与传统的差压式流量计相比，测量准确度高，范围度较宽。3)由于结构简单，影响因素很少，因此重复性(精密度)很好，检定周期较长(一1绪论硕士学位论文般为5年)。4>入口只需满足滞止条件，因而抗上游干扰能力强，而且由于不受下游流体参数的影响，故无须考虑严格的前后直管段要求。5)适用的流体工作条件如温度、压力、最大流量等极宽，几乎不

6、受限制。6)与其它可作为标准表的气体流量计相比，在同样的准确度及流量范围条件下，组成的标准装置体积小，价格低，有很高的性价比。7)容易复制与检验，坚固耐用，维护保养相当简单。1．2国内、外研究历史及现状1．2．1主要研究内容20世纪70年代以来，英国国家工程实验室、法国煤气公司、英国煤气公司工程研究所、美国国家标准局、Colorado工程研究所、日本国家计量研究所以及我国的计量研究院等对临界流文丘里喷嘴作了系统研究。1990年，国际标准化组织颁布了IS09300《临界流文丘里喷嘴测量气体流量》。FLOMEK02000第10届流量测量国际会议上发表的论文中，有10篇是关于临界流流量测量的研究和应

7、用。目前，国内外关于临界流文丘里喷嘴的研究内容主要集中在小型临界流文丘里喷嘴和低雷诺数流动的研究、流出系数和临界流系数的研究、临界流文丘里喷嘴的数值模拟以及临界流流量计作为气体流量检定标准装置的研究等方面。临界流文丘里喷嘴首先是在航空、航天领域发展起来的，后来在天然气流量计量中也是先在输气干线高压大流量下应用，它们的喉径都比较大(几毫米到几十毫米)，音速喷嘴向小微流量方面拓宽应该是顺理成章的事。并