低雷诺数下临界流文丘里喷嘴背压比测试

　　0　引言

　　由于临界流文丘里喷嘴准确度较高、重复性好,因此被广泛应用于各类气体流量标准装置中。在检定和使用临界流文丘里喷嘴时,尤其是在检定和使用小型临界流文丘里喷嘴过程中会遇到一些问题。通常认为,只要按照ISO 9300规定的面积比与背压比关系图表,选择合适的背压比,按标准设计和加工,就能制造出满足理论最大背压比的喷嘴,而忽视了喉部面积比和背压比关系图的适用条件,即对圆环喉部喷嘴的雷诺数要大于2×10⁵,对圆筒形喉部喷嘴的雷诺数要大于3.5×10⁵。不考虑雷诺数要求,仅按照ISO 9300面积比与背压比关系图确定的最大背压比,以此来确定喷嘴是否进入临界状态,进而引用该喷嘴的流出系数可能带来不小的问题。为了进一步研究小雷诺数临界流文丘里喷嘴的特性,我们查阅了一些国外研究文献,并在我院的气体流量标准装置上进行了一些实验,测试了一些数据,得到了一些启示。

　　1　国外机构的研究

　　在参考文献[1]中,按照ISO 9300设计制造了一系列喉部直径、出口锥体扩散半角、面积比各不相同的小型文丘里喷嘴,在不同入口压力及不同背压比情况下,做了大量入口压力、流出系数及背压比相互关系的实验,证明了ISO 9300对雷诺数建议的必要性。

　　例如,参考文献[1]中一只喉部直径为3.18mm、面积比为3.0的临界流文丘里喷嘴,按照ISO 9300所示面积比与最大背压比的关系图,推算的最大临界背压比应约为0.9,而实际测试结果并非如此,如图1。当喷嘴入口压力在345kPa(表压)以上时,实测最大背压比约为0.9,此时的雷诺数大于2×10⁵,最大背压比和面积比的关系符合ISO 9300的关系图。当喷嘴入口压力降低为41kPa(表压)时,实测最大背压比约为0.75,此时的雷诺数约为5.73×10⁴,最大背压比和面积比的关系不符合ISO 9300的关系图,最大背压比实测值小于理论值。由图1还可以看出,随着喷嘴入口压力的下降(由965kPa减至41kPa),最大背压比由0.92减至0.75。

　　在雷诺数小于2×10⁵时,不仅存在最大背压比随雷诺数变化而变化的关系,而且这种关系还较为复杂。文献[1]中,还介绍了小型临界流文丘里喷嘴存在着一种“早期非临界现象”。一只1.57mm临界流文丘里喷嘴,上游压力为62kPa(表压),雷诺数约为3.25×10⁴,流出系数随着背压比的降低出现了凹陷(图2),当背压比低于0.3时才真正进入流出系数的稳定状态。这种流出系数的凹陷现象,因锥体的扩散半角不同、面积比不同及测量介质物理性质不同而不同。导致这种现象的原因,在其他国外文献中将其归结为因喷嘴喉部较小,流经的流体在靠近喷嘴喉部表面的层流占据的比例增大,再加上层流与激波、制造喷嘴时形成的瑕疵之间的相互作用,层流快速增长,最终导致了流出系数与背压比的复杂变化情况。