低雷诺数下临界流文丘里喷嘴的背压比研究

　　0　引　言

　　关于低雷诺数下(Red<2×105)临界流文丘里喷嘴(简称喷嘴)的最大背压比(喷嘴达到临界流时最大出口压力和入口压力之比)的确定[1],由于实验还不充分,目前的规程、标准中没有给出确定的计算公式和曲线图,ISO 9300:2005(E)中也只是提出一些建议:“对于工作在喉部雷诺数Red<2×105的临界流文丘里喷嘴,建议用户保持0.25的背压比,或者对他们的临界流文丘里喷嘴进行一次简单的非临界流测试”[2]。影响喷嘴背压比的因素很多,包括喷嘴的几何尺寸[3-5]、喷嘴加工的粗糙度、入口压力等,这里仅对几何尺寸中的扩散半角和曲率半径做研究。

　　1　临界流文丘里喷嘴

　　临界流文丘里喷嘴有两种结构形式:圆环形喉部文丘里喷嘴和圆筒形喉部文丘里喷嘴,精加工的文丘里喷嘴应采用圆环形的结构,试验中用的为精加工的喷嘴,其结构如图1所示[6]。

　　2　国外的研究成果

　　2.1　文献[7]的试验

　　试验用了3个喉径相同,扩散半角、扩散段长度、扩散断面积比(以下简称面积比)均不同的喷嘴,其尺寸见表1。

　　2.2　试验方案及结果

　　试验中对表1所示的喷嘴选用了172 kPa,124 kPa,83 kPa,62 kPa和41 kPa五种压力作为喷嘴前的压力。由于124 kPa,83 kPa比较接近负压装置的情况,且目前我国也多采用负压装置检定流量计,选这两种压力的试验结果如图2~图4所示。

　　从图中可以看出,在背压比为0.5左右出现了“非临界流现象”,并且随着喷嘴扩散半角的增大而加重,当背压比继续增大,非临界现象后面又出现了一段临界流,增大背压比喷嘴有一段背压比范围进入临界状态[8]。

　　2.3　启示

　　从以上试验可以得到两点结论:

　　(1)非临界流现象确实存在[9];

　　(2)非临界流现象出现以后,后面有一段范围的背压比,喷嘴是能够进入到临界状态的;

　　(3)在喷嘴的入口压力相同的情况下,随着扩散半角的增加,非临界现象的影响加重。

　　试验中在背压比为0.25时喷嘴稳定地达到临界状态,这与ISO 9300: 2005 (E)的建议相符。既然从文献[7]中可以看到非临界现象后面有一段背压比范围(大概在0.55~0.8)可以使喷嘴达到临界流,并且还和扩散半角相关,那么就设计一套方案,在面积比不变的情况下,通过改变喷嘴的扩散半角和曲率半径,找出一段实用性强的背压比范围。

　　3　试验方案

　　3.1　试验方案

　　ISO 9300中对于喷嘴的曲率半径rc和扩散半角分别给出一个范围,即rc=1.8d~2.2d,扩散半角为2.5°~6°,面积比也可以参考Red>2×的关系曲线图[2],从该曲线图可以看出,当面积比为3时最大背压比已经稳定,方案中选用面积比为5.79,确保面积比不会对背压比产生影响。