2mm喉径喷嘴入口段对其流出系数的影响

　　0　引言

　　气体流量计量广泛用于能源计量,环境废气的监测,医疗领域的气体计量,药品、半导体、钢铁、石化等工业制造中的过程控制。

　　喷嘴(本文指具有圆环形喉部的临界流文丘利喷嘴)因无可动部件、准确度高等特点,在气体流量计量领域,经常被用来作为传递标准和标准表。目前,我国以喷嘴作为标准表的气体流量标准装置已达几十套,每年量传的气体流量计数以数十万计。

　　1　喷嘴流出系数

　　当喷嘴下游背压达到临界压力,通过喷嘴的流量达到最大,进一步降低喷嘴的下游压力,通过喷嘴的流量将不再增加。对于理想气体,在一维、等熵的情况下,通过喷嘴的理想质量流量qmi为:

　　式中:RM=R0/M=8314·51/M[J/(kmol·K)]为气体常数,M为分子量;A*=πd2/4为喷嘴喉径处横截面积,d为喷嘴喉径;C*为临界流函数;p0为喷嘴前滞止压力;T0为气体滞止温度。

　　但对于实际过程,气体并非理想,过程也并不是一维、等熵。因此,通过喷嘴的实际流量qm并不等于理想流量qmi,他们之间通过流出系数Cd来关联：

　　流出系数作为喷嘴的一个非常重要的参数,人们对其进行了很多研究。2005年,ISO 9300[1]在综合以往研究的基础上给出了2·1×104<Red<3·2×107范围内,普通加工喷嘴的流出系数与雷诺数间的关联式:

　　在喷嘴几何形状符合其要求的情况下,应用此式计算出流出系数的扩展不确定度可达0·3%(k=2)。

　　2　喷嘴形状对流出系数的影响已有研究

　　喷嘴形状是实现并保持通过其流量稳定的关键,ISO 9300[1]对其有明确的规定。如图1所示,入口段AB是一段圆弧,扩散段BC为一段直线,两者在B点相切,θ为扩散角。

　　入口AB段圆弧的半径R=(1·8~2·2)d,并且其轮廓与圆环形状的偏差应不超过±0001d,扩散角θ=(2·5~6·0)°。

　　1995年,Park等[2]曾经对入口段几何形状对流出系数的影响进行过研究,得到的主要结论有:1)对于入口半径较小的喷嘴,R=0·5d(R为入口段圆弧的半径),由于入口段长度变短,入口段的流动分离导致流出系数降低;2)R= 2d时,流出系数的值最大;3)对于较大的入口半径,R=4d,入口段的长度对流出系数的影响不明显;当入口段的长度小于d时,流出系数降低得比较明显。

　　2000年, Lavante等[3]曾对扩散角为2·5°、3·0°、4·0°、5·0°喷嘴的流场进行过模拟计算,并和试验结果进行了比较,结果表明:模拟和试验结果间有很好的一致性,扩散角的差异对于喉径为10mm喷嘴流出系数的影响很小。