微流量串联小孔流场特性研究

　　引 言

　　气密性检测是保证产品质量和生产安全的重要工序，其在生产过程中的作用已得到了广泛认可，传统的气密性的检测方法有气泡法(水检法)、静压法、U 型管法、氦质谱法等,其中气泡法一直以来都被作为工业生产中的气密性检测标准[1]，随着自动化生产的发展，传统的检测方法在检测精度与效率方面都已不能满足生产需求。目前，利用气体流动特性进行气密性检测成为了较为流行的检测方法。根据检测原理的不同又可以分为直压式、差压式和流量式等。各类型气密性检测仪器在特性、价格方面各有千秋，目前在市场上都占有一定的比例。流量式气密性检测仪通过检测充气完毕后层流小孔两端的压差来检测泄漏量。基本原理如图 1 所示。首先向基准容器与被测容器充入压力相同的压缩空气，如被测腔有漏，必然造成容器内气体质量的流失，腔内压力降低，气体在压差作用下由基准容器经层流小孔流向被测容器，通过检测层流小孔两端压差可以推导出被测容器的泄漏量。

　　1 串联层流毛细孔

　　层流小孔作为流量式气密性检测仪的核心元件，对仪器的检测精度、量程都有着重要的影响。单一细长毛细孔作为层流小孔的理想模型，其两端差压与流量特性满足以下关系：

　　l 体积流量;PvQ 粘度系数; μ 毛细孔长度; 毛细孔两端差压

　　当流体在毛细管内保持层流状态时，小孔两端差压与流量呈线性关系[2]。由上式可以看出,要检测微流量，必须增大毛细管长度，减小毛细管半径。这种理想细长孔虽然模型简单，但在实际机械加工中却难以保证其制作的轴向平行度及径向精度。本文针对毛细长孔在加工方面存在的问题提出了串联层流孔的设计思想。串联层流小孔以单个易于实现的毛细短孔为基础，依据检测需要经串联组合而成。图 2 为小孔个数 n = 4的串联小孔模型,，小孔直径 d = 0.2mm,单个小孔长度 l = 5mm，小孔连接腔直径 D = 3mm,小孔连接腔长度L = 4mm。小孔连接腔的设计目的是为减小加工误差及安装误差引起的两相邻小孔的不同心对流体流动带来的影响。孔连接腔的设计以短小、易于加工、不影响压力分布为原则。

　　串联层流小孔的设计不仅根本上解决了小孔的加工问题，而且可以通过改变串联小孔的个数改变小孔的有效长度，实现仪器量程与精度的可调性。但串联小孔管路中存在几何尺寸的突变，这会使流体流动受到强烈扰动而难以保持层流。对于流体的管内流动,任何几何形状变化或转向的地方都将引起局部损失。在这些局部区域,流动极为复杂，边界层发生分离，产生漩涡，随后流体质点掺杂，流场调整，在此过程中一部分流体动能和压能被消耗掉。流体力学中，局部压力损失通常以下式表示：