低雷諾數(shù)下臨界流文丘里噴嘴的背壓比研究

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(jié)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(guān)規(guī)定，注意到擴(kuò)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(guān)擴(kuò)散角度、曲率半徑對背壓比影響的試驗方案。

關(guān)鍵詞：背壓比; 臨界流文丘里噴嘴; 擴(kuò)散半角; 曲率半徑; 低雷諾數(shù)

中圖分類號：TN911-34

文獻(xiàn)標(biāo)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(guān)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(kuò)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(jié)構(gòu)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(yīng)采用圓環(huán)形的結(jié)構(gòu)，試驗中用的為精加工的噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［6］。

2 國外的研究成果

2.1 文獻(xiàn)[7]的試驗

試驗用了3個喉徑相同，擴(kuò)散半角、擴(kuò)散段長度、擴(kuò)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(kuò)散半角 /(°)擴(kuò)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(jié)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(fù)壓裝置的情況，且目前我國也多采用負(fù)壓裝置檢定流量計，選這兩種壓力的試驗結(jié)果如圖2~圖4所示。

圖2 擴(kuò)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(kuò)散半角的增大而加重，當(dāng)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(jìn)入臨界狀態(tài)［8］。

2.3 啟示

從以上試驗可以得到兩點結(jié)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(jìn)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(kuò)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(dá)到臨界狀態(tài)，這與ISO 9300：2005(E)的建議相符。既然從文獻(xiàn)[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(dá)到臨界流，并且還和擴(kuò)散半角相關(guān)，那么就設(shè)計一套方案，在面積比不變的情況下，通過改變噴嘴的擴(kuò)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(kuò)散半角為4°的背壓比

圖4 擴(kuò)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(kuò)散半角分別給出一個范圍，即rc=1.8d～2.2d，擴(kuò)散半角為2.5°～6°，面積比也可以參考Red>2×105的關(guān)系曲線圖［2］，從該曲線圖可以看出,當(dāng)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(chǎn)生影響。

方案分為兩步：一是曲率半徑不變、擴(kuò)散半角改變;二是擴(kuò)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(kuò)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(shè)擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(yù)期結(jié)果

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

4 結(jié) 語

試驗中只選用噴嘴的一個喉徑及擴(kuò)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(kuò)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(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

［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(shù)，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(shù)，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(nèi)容請以PDF格式閱讀原文