微小流量测量音速喷嘴的流动特性

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　　由于音速喷嘴(简称为喷嘴)良好的稳定性,将其作为流动控制仪表和标准装置中的标准流量计,用以对其他类型的仪表进行量值传递。随着化工、医药、航空航天等领域内微小气体流量测量精度要求的提高,喷嘴正以其独特的优越性能受到越来越多的关注并得到广泛的实际应用。

　　空气动力学理论表明,保持喷嘴上游的滞止压力不变,不断降低喷嘴的出口背压,开始时喷嘴流量不断增加,但当喷嘴出口背压降到某一值时,通过喷嘴的流量将达到最大,进一步降低出口背压将不能使喷嘴的流量增加。将通过喷嘴的流量刚刚达到最大时,喷嘴出口背压称为临界背压,它与滞止压力之比称为临界背压比pcr。对于理想气体,设其一维、等熵流过喷嘴,最大流量qm,i为

　　式中:At为喷嘴的喉部面积,C*为临界流函数,p0为喷嘴前气体的滞止压力,T0为喷嘴前气体滞止温度,R为气体常数。考虑真实气体的黏度,及真实过程的非等熵及流动的多维性,流过喷嘴的实际流量和理想流量并不相等,差异由流出系数Cd表示:

　　喷嘴形状是实现并保持临界流的关键,国际标准ISO 9300[1]对其有明确的规定,如图1所示,入口AB段是一段圆弧,TS为直径最小的喉部处,扩散BC段为一段直线,两者在B点相切,θ为扩散角,其大小为2.5°≤θ≤6.0°。

　　只有在背压比低于临界背压比时,通过喷嘴的流量才能保持稳定,而流出系数则直接关系到通过喷嘴的实际流量大小。因此,作为喷嘴应用过程中两个最重要的参数,许多学者对临界背压比和流出系数进行了大量的研究,提出了诸多经验公式。近年来,微小喷嘴流量测量研究日渐深入,发现很多与常规尺寸喷嘴不同的新现象和特性。Lavante等[2]对按照ISO 9300[3]要求加工了3.5℃扩散角,喉径0.15 ~ 2.0 mm的喷嘴,系统地实验测量了临界背压比。结果表明,喉径为0.15mm的喷嘴,临界背压比只有0.46,小于理想气体的理论临界背压比pcr=0.53。流场数值模拟计算揭示出,临界背压比降低的主要原因是喷嘴流场的中心核心区和边壁区之间强烈的相互作用

　　Park等[4]按照ISO 9300[3]的要求加工了喉径0.28~4.48 mm的喷嘴,在滞止压力为大气压时,进行了流出系数实验测量,整理出雷诺数与流出系数之间的关联式。结果表明,尽管实验用喷嘴的雷诺数超过了ISO 9300[3]经验公式的适用范围,但实验结果与使用ISO 9300[3]经验公式预测结果间的偏差不超过±0.37%。

　　传统机械加工在微小喷嘴加工方面存在着极大的困难,许多学者试图将MEMS、激光等一些新兴的加工方法引入到喷嘴加工领域。但MEMS方法很难加工回转体,只能加工平面,也就是说加工出来的喷管,截面是正方形的,而非圆形。