缩放喷管应用现状及研究方向

　　0　引言

　　缩放喷嘴(又称拉法儿喷管等)结构简单,其孔径先逐渐减小,孔径最小部分称为喷嘴喉部,在喉部后有孔径逐渐增大的流道。缩放喷管上游与下游压力满足一定关系时,喷嘴喉部的气流速度达到当地音速,即喷嘴达到临界状态。此时,流过喷嘴的气体质量流量只与上游压力有关,而与下游压力无关。喷嘴随下游扩张管长度不同可得到不同临界压力比,最大可达0. 9左右。

　　基于上述特点,缩放喷管在工业、航天等各方面有着广泛的应用。该文主要对缩放喷管在工业计量等中的应用作一些介绍。

　　1　几种缩放喷管及其应用介绍

　　临界流喷管是利用在一定条件下在喉部由于壅塞来测量气体质量流量的仪器。此时,气体流量达到最大值,流动也不受下游压力变化的影响。流量大小只取决于上游滞止压力条件、管径和气体状态参数。故而常用它作为计量标准器,有时也用作流量控制器。

　　1.1　经典文丘里喷嘴

　　经典文丘里喷嘴在气体流量测量中占据着极其重要的地位,图1是它的结构示意图。它一般用在PVTt法[1]和音速喷嘴气体流量装置[1, 2]上。

　　1. 1. 1　PVTt法

　　PVTt法是一级标准装置,用于测量气体质量流量或者标定气体流量计,特别是为二级标准装置音速喷嘴气体流量装置标定文丘里喷管的流出系数。其精度可优于0.1级,流量范围为0.1~1 300m3/h,不确定度为0.05% (k=2)。影响它精度的关键是两个方面:1)如何精确标定标准容器的容积,一般使用氮气气标法,不确定度可以控制在0. 05%; 2)“开关时间△t”[3]。△t是开启和关闭过程两部分时间之和。该装置开始工作时,计时器同时计时,喷管喉部速度从零上升到建立平衡,达到当地音速所需要的时间即开启时间。关闭时间指装置工作一定时间后关闭阀门所需要的时间。开关时间△t内均有一定流量的气体流入到标准容器中,但均不能计作正常工作流量。该装置工作流量曲线如图2所示,△t一般为几十毫秒,因而在使用上都忽略了它的影响。若总工作时间超过了几百秒,流出系数重复性数量级为0.1%,那么确定△t的意义不大。否则,则必须对流出系数进行修正。

　　1. 1. 2　音速喷嘴气体流量装置

　　音速喷嘴气体流量装置是二级气体标准装置。ISO9300[4]给出了质量流量公式

　　式中,A为喷管喉部内截面积,C*为临界流函数,C为流出系数。标定气体流出系数有两种求法:其一为按照ISO 9300给出的经验公式;其二为通过标定法求取,如在PVTt法装置上标定,然后按测得的上游滞止压力P0和滞止温度T0计算出质量流量qm。如果对C不进行校验而直接按经验公式计算,则不确定度为0.5%,要使得不确定度优于0.5%,比如说0.2%,则必须对C进行校验。以上两种装置工作原理简单清晰,影响因素相对较小,重复性好,精度高,检定周期较长,适用工作条件也比较宽。