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        低雷諾數(shù)下臨界流文丘里噴嘴的背壓比研究

        2011-06-30 01:09:38呂運朋,曹愛菊
        現(xiàn)代電子技術 2011年9期

        呂運朋, 曹愛菊

        摘 要:通過對國外低雷諾數(shù)下臨界流文丘里噴嘴研究成果的分析,并結合ISO 9300:2005(E)中對低雷諾數(shù)下臨界流文丘里噴嘴最大背壓比的建議及圓環(huán)形喉部臨界流噴嘴幾何尺寸范圍的有關規(guī)定,注意到擴散半角、曲率半徑、面積比等對噴嘴背壓比的影響,從中得到了一些啟示,并提出了一套試驗方案,即有關擴散角度、曲率半徑對背壓比影響的試驗方案。

        關鍵詞:背壓比; 臨界流文丘里噴嘴; 擴散半角; 曲率半徑; 低雷諾數(shù)

        中圖分類號:TN911-34

        文獻標識碼:A

        文章編號:1004-373X(2011)09-0127-03

        Study on Back-pressure Ratio of Critical FlowVenturi Nozzle at Low Reynold Number

        La Yun-peng, CAO Ai-ju

        (Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China )

        Abstract: By the analysis of the foreign research results on the critical flow Venturi nozzle at low Reynolds abroad, the effect of spread half-angle, curvature radius and area ratio on the back-pressure ratio was observed in combination with some proposals on maximum back-pressure ratio of critical flow Venturi nozzle at low Reynolds number and ISO 9300:2005(E) on geometric size of toroidal throat critical flow Venturi nozzle. From the observation, some inspiration was obtained. A testing program that the back-pressure ratio is effected by spread half-angle and curvature radius is put forward.

        Keywords: back-pressure ratio; critical flow Venturi nozzle; spread half-angle; curvature radius; low Reynolds number

        0 引 言

        關于低雷諾數(shù)下(Red<2×105)臨界流文丘里噴嘴(簡稱噴嘴)的最大背壓比(噴嘴達到臨界流時最大出口壓力和入口壓力之比)的確定[1],由于實驗還不充分,目前的規(guī)程、標準中沒有給出確定的計算公式和曲線圖,ISO 9300:2005(E)中也只是提出一些建議:“對于工作在喉部雷諾數(shù)Red<2×105的臨界流文丘里噴嘴,建議用戶保持0.25的背壓比,或者對他們的臨界流文丘里噴嘴進行一次簡單的非臨界流測試”[2]。影響噴嘴背壓比的因素很多,包括噴嘴的幾何尺寸[3-5]、噴嘴加工的粗糙度、入口壓力等,這里僅對幾何尺寸中的擴散半角和曲率半徑做研究。

        1 臨界流文丘里噴嘴

        臨界流文丘里噴嘴有兩種結構形式:圓環(huán)形喉部文丘里噴嘴和圓筒形喉部文丘里噴嘴,精加工的文丘里噴嘴應采用圓環(huán)形的結構,試驗中用的為精加工的噴嘴,其結構如圖1所示[6]。

        2 國外的研究成果

        2.1 文獻[7]的試驗

        試驗用了3個喉徑相同,擴散半角、擴散段長度、擴散斷面積比(以下簡稱面積比)均不同的噴嘴,其尺寸見表1。

        圖1 圓環(huán)形喉部文丘里噴嘴

        表1 試驗噴嘴尺寸

        噴嘴號喉徑 /mm擴散半角 /(°)擴散段長度面積比

        B131.572.54.8d2.0

        B241.574.05.3d3.0

        B341.576.04.9d4.0

        2.2 試驗方案及結果

        試驗中對表1所示的噴嘴選用了172 kPa,124 kPa,83 kPa,62 kPa和41 kPa五種壓力作為噴嘴前的壓力。由于124 kPa,83 kPa比較接近負壓裝置的情況,且目前我國也多采用負壓裝置檢定流量計,選這兩種壓力的試驗結果如圖2~圖4所示。

        圖2 擴散半角為2.5°的背壓比

        從圖中可以看出,在背壓比為0.5左右出現(xiàn)了“非臨界流現(xiàn)象”,并且隨著噴嘴擴散半角的增大而加重,當背壓比繼續(xù)增大,非臨界現(xiàn)象后面又出現(xiàn)了一段臨界流,增大背壓比噴嘴有一段背壓比范圍進入臨界狀態(tài)[8]。

        2.3 啟示

        從以上試驗可以得到兩點結論:

        (1) 非臨界流現(xiàn)象確實存在[9];

        (2) 非臨界流現(xiàn)象出現(xiàn)以后,后面有一段范圍的背壓比,噴嘴是能夠進入到臨界狀態(tài)的;

        (3) 在噴嘴的入口壓力相同的情況下,隨著擴散半角的增加,非臨界現(xiàn)象的影響加重。

        試驗中在背壓比為0.25時噴嘴穩(wěn)定地達到臨界狀態(tài),這與ISO 9300:2005(E)的建議相符。既然從文獻[7]中可以看到非臨界現(xiàn)象后面有一段背壓比范圍(大概在0.55~0.8)可以使噴嘴達到臨界流,并且還和擴散半角相關,那么就設計一套方案,在面積比不變的情況下,通過改變噴嘴的擴散半角和曲率半徑,找出一段實用性強的背壓比范圍。

        圖3 擴散半角為4°的背壓比

        圖4 擴散半角為6°的背壓比

        3 試驗方案

        3.1 試驗方案

        ISO 9300中對于噴嘴的曲率半徑rc和擴散半角分別給出一個范圍,即rc=1.8d~2.2d,擴散半角為2.5°~6°,面積比也可以參考Red>2×105的關系曲線圖[2],從該曲線圖可以看出,當面積比為3時最大背壓比已經(jīng)穩(wěn)定,方案中選用面積比為5.79,確保面積比不會對背壓比產生影響。

        方案分為兩步:一是曲率半徑不變、擴散半角改變;二是擴散半角不變、曲率半徑改變。 這里擬選用3個喉徑為7.75 mm(流量為32 m3/h)的噴嘴,在曲率半徑rc不變,擴散半角和面積比均改變的情況下做背壓比試驗,從中找出背壓比有較長的穩(wěn)定范圍且背壓比較大的噴嘴,其試驗噴嘴的尺寸見表2;不妨假設擴散半角為4°(即2號)的噴嘴為有較長穩(wěn)定范圍的噴嘴,在擴散半角和面積比不變,曲率半徑改變的情況下做背壓比試驗,觀察曲率半徑對背壓比的影響,其試驗噴嘴的尺寸見表3。依據(jù)檢定規(guī)程做背壓比試驗[10]。

        表2 試驗方案噴嘴尺寸

        噴嘴號喉徑 /mm擴散半角 /(°)曲率半徑面積比

        17.752.52.0d5.79

        27.754.02.0d5.79

        37.756.02.0d5.79

        表3 試驗方案噴嘴尺寸

        噴嘴號喉徑 /mm擴散半角 /(°)曲率半徑面積比

        217.7541.8d5.79

        227.7542.0d5.79

        237.7542.2d5.79

        3.2 試驗預期結果

        通過試驗找出流出系數(shù)與背壓比的關系曲線圖,觀察流出系數(shù)隨擴散半角和曲率半徑的變化情況,找出噴嘴達到臨界狀態(tài)時實用性強的背壓比范圍及相對應的擴散半角和曲率半徑。

        4 結 語

        試驗中只選用噴嘴的一個喉徑及擴散半角和曲率半徑兩個幾何參數(shù),然而在低雷諾數(shù)下,擴散半角和曲率半徑對背壓比會有影響,但面積比等別的幾何尺寸對背壓比也會有所影響,這些幾何參數(shù)對不同喉徑噴嘴的影響還有待進一步研究。

        參考文獻

        [1]PARK K A, CHOI Y M, CHOI H M, et al. Characteristics of small sonic nozzles [C]// Proceedings of the10th Int. Conf. on Flow Meas. Bahia, Brazil: ICFM, 2000: 11-19.

        [2]ISO. ISO 9300-2005 (E) Measurement of gas flow by means of critical flow Venturis nozzles [S]. [S.l.]: ISO, 2005.

        [3]PARK K A. Effects of inlet shapes of critical Venturi nozzles on discharge coefficients [J]. Flow Measurement and Instrumentation, 1995, 6 (1): 15-19.

        [4]LAVANTE E V, ZACHCIAL A, ZEITZ D, et al. Effects of various geometric parameters on flow behavior in sonic nozzles [J]. FLOMEKO, 2000, F6: 121-128.

        [5]李春輝.2 mm喉徑噴嘴入口段對其流出系數(shù)的影響[J].計量技術,2007(11):4-5.

        [6]American National Stand. Measurement of gas flow by means of critical flow Venturis nozzles MFC-7M [S]. [S.l.]: ASME/ANSI, 1987.

        [7]CARON Richard W, BRITTON Charles L, KEGEL Thomas. Investigation into the premature unchoking phenomena of critical flow Venturis [C]// Proceedings of ASME FEDSM. [S.l.]: ASME, 2000: 1111-1121.

        [8]BRITTON Charles L, CARON Richard W. Unchoking pressure ratio for critical flow [C]// Proceedings of ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting. [S.l.]: ASME,1997: 22-26.

        [9]劉辰魁,李同波.低雷諾數(shù)下臨界流文丘里噴嘴背壓比測試[J].計量技術,2008(7):6-9.

        [10]徐英華,王自和,李春暉.JJG620-2008臨界流文丘里噴嘴[M].北京:中國計量出版社,2008.

        注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文

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