空气湿度对音速文丘利喷嘴测量空气流量的影响

　　由于音速文丘利喷嘴的结构简单,体积小,性能稳定,重复性好,被作为气体流量传递标准,在国内外得到广泛的应用。

　　目前国内在标定音速文丘利喷嘴和用音速文丘利喷嘴检定各种流量仪表时,多数采用湿空气作为试验介质。本文就空气的湿度对测量准确度的影响及其修正方法进行探讨。

　　一、音速文丘利喷嘴作为量值传递标准的工作原理

　　在理想条件下,即完全气体的一维等熵流动时,用音速文丘利喷嘴测量的气体质量流量为[3]

　　式中,C*,i为理想条件下的临界流函数;p0、T0分别为上游气体的滞止压力和滞止温度;R为通用气体常数;M为气体摩尔质量;A*为音速文丘利喷嘴喉部截面积;γ为气体的比热比,对完全气体其等熵指数κ=γ。

　　实际气流由于音速面的弯曲,壁面处存在粘性附面层和温度梯度等原因,实际气体的质量流量qm应为

　　式中,C*为实际气体的临界流函数,它是在一维等熵流假定下利用真实气体热力学性质表计算得来的;C为流出系数,它是对一维等熵流假定的修正,实验表明,C仅为雷诺数Red的函数。

　　ISO根据几个国家的实验数据拟合得出如下的关系式

　　如C不进行实标而按文献[1]取a、b和n值来计算,则不确定度为±0.5% (置信水平为95%)。如对C实际,其不确定为±0.2%[2]。

　　二、用湿空气标定音速文丘利喷嘴流出系数C时的湿度修正系数

　　为提高测量的准确度,国内外有些研究机

　　构对空气进行去湿处理,耗费了大量资金和能源。由于空气从喷嘴入口到喉部的时间极短,即使空气的露点高于空气的温度也来不及相变,实际使用时在喉部也没有发现结霜现象,因此为了降低装置的设备投资和运行费用,目前国内大多数研究机构都以大气为气源,采用负压pVTt法对音速文丘的喷嘴标定(所谓pVTt法,即在一定时间t内,将经喷嘴和气体收集到容积为V的容器中,并分别测量气体流入前和流入后容器内气体的温度T和压力p,经计算求得t时间内流经喷嘴的气体和质量,从而求得流经喷嘴的实际质量流量qmb),并对空气中的湿度进行必要的修正。

　　式中,qmb为用pVTt法测得的流量;C*a、Ma分别为干空气的临界流函数和摩尔质量;KΦ为湿度修正系数。则有

　　式中,C*h、Mh为湿空气的临界流函数和摩尔质量。

　　湿空气是干空气和水蒸汽的混合物。通常大气中水蒸汽的摩尔成分很小,即C*a和C*h,Ma和Mh相差都不大,所以式(6)可化为如下方程:

　　式中,ΔC*为在相同热力状态下,湿空气临界流函数C*h和干空气临界流函数C*a之差值;ΔM为湿空气与干空气之摩尔质量的差值。由于ΔC*和C*a相比,ΔM和Ma相比均为高价小量,为简化分析,且不失其结果的准确度,在湿度修正时,可认为湿空气流动满足理想条件,则由式(2)可推得