中小喉径音速喷嘴临界背压比的研究

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1、中小喉徑音速噴嘴臨界背壓比的研究李春輝王池中國計量科學研究院熱工所流量室，北京，100013Email:wangch@nim.ac.cn摘要：本文對擴散角為2.5°、4.0°和6.0°，喉徑分別為2mm、5mm和10mm共9塊噴嘴進行了臨界背壓比的試驗測量。試驗結果表明，喉徑為2mm和5mm噴嘴的臨界背壓比較設計值及經驗公式的計算結果都要低，而喉徑為10mm噴嘴的試驗結果與設計值及經驗公式的計算結果相當。在試驗測量的基礎上，本文應用模擬計算的方法對試驗結果進行了分析，結果表明，噴嘴入口段幾何形狀與理想輪廓的差異很可能是造成臨界背壓比降低的重要原因。關鍵字：噴嘴，臨界背

2、壓比，試驗，數值模擬1．前言TSBACyx噴嘴(本文指具有圓環形喉部的臨界流文丘利噴嘴)作為一種氣體流量計，因無可動部件、準確度高等特點，在氣體流量計量領域內，經常被用來作為傳遞標準和標準表。目前，我國使用噴嘴作為標準表的氣體流量標準裝置已達幾十套，每年量傳的氣體流量計超過幾十萬台。圖1噴嘴輪廓105由空氣動力學理論，當噴嘴下游背壓達到某一臨界壓力時，通過噴嘴的流量將達到最大，進一步降低噴嘴的下游背壓通過噴嘴的流量將不再增加。對於理想氣體，在一維、等熵的情況下，通過噴嘴的理想品質流量，，為(1)噴嘴形狀是保證並保持臨界流的關鍵，ISO9300[1]對其有明確的規定，如

3、圖1所示，入口AB段是一段圓弧，TS為直徑最小的喉部處，擴散BC段為一段直線，兩者在B點相切，為擴散角，其大小為2.5°≤θ≤6.0°。噴嘴只有在背壓等於或低於臨界值時才能保持臨界流及流量穩定，因此臨界背壓的大小直接關係到臨界流的實現及以噴嘴作為標準表的標準裝置中真空泵的選擇，其值的確定對臨界流的實現及標準裝置的運行十分重要。因此，近年來人們對臨界背壓比的研究逐漸增加。2001年，韓國KRISS的Park等[2]對擴散角(2-8)°，喉徑為(0.28-4.28)mm範圍內噴嘴進行了臨界背壓比，的測量。他們依據試驗結果整理得到了95%置信概率下，不確定為，計算臨界背壓比

4、的經驗公式。(2)2005年，最新版的ISO9300[1]根據臨界背壓比的已有研究成果，建議：“對於喉部雷諾數的噴嘴，應保持0.25的背壓比，或者對噴嘴進行一次簡單的臨界背壓比試驗”。大陸以噴嘴作為標準表的標準裝置都是負壓法，滿足ISO9300[1]標準規定雷諾數條件噴嘴的喉徑在15mm左右[3]。目前，我國大量使用此範圍以下的噴嘴，而在使用過程中，臨界背壓比基本按照設計值使用。對於此喉徑以下，噴嘴的臨界背壓比是否能達到設計值，及如何變化未進行過研究。而小流量下已出現過由於噴嘴未達到臨界流，導致被檢流量計不合格而帶來的糾紛。針對以上的現狀，本文將對國際標準規定範圍內，

5、擴散角2.5°、4.0°和6.0°，喉徑分別為2mm、5mm和10mm共9塊噴嘴進行臨界背壓比的試驗測量，在此基礎上，應用數值模擬方法對試驗結果進行分析，從而為未來中小喉徑噴嘴相關管理規定的制定提供依據。1．試驗研究9塊試驗用噴嘴依據ISO9300[1]的相關規定進行設計，設計臨界背壓比為0.85，喉徑為2mm、5mm和10mm。考慮到加工偏差，在中國計量科學研究院長度所精密測量試驗室，對9塊噴嘴的喉徑進行了測量。9塊噴嘴的實際喉徑尺寸如表1所示，測量結果的擴展不確定為()。表1試驗用噴嘴喉徑擴散角喉徑(mm)喉徑(mm)喉徑(mm)2.5°2.0215.02410.

6、0184.0°2.0325.02410.0201056.0°2.0425.01510.0212.1試驗裝置及環境條件喉徑為2mm、5mm各3個不同規則的噴嘴，臨界背壓比的測量在中國計量科學研究院的pVTt法氣體流量基準裝置上進行。而喉徑為10mm的3塊噴嘴，臨界背壓比的測量在浙江余姚銀環流量儀錶有限公司的音速噴嘴法氣體流量標準裝置上進行，試驗中利用一塊渦街流量計作為核查表。為了驗證結果，對擴散角為2.5°的噴嘴在pVTt法裝置上進行了驗證性試驗。pVTt法氣體流量基準裝置的擴展不確定為0.05%(k＝2)，浙江余姚銀環流量儀錶有限公司的音速噴嘴法氣體流量標準裝置的擴展

7、不確定為0.25%(k＝2)。在以上兩個裝置共進行3次試驗，試驗環境如表2所示。表2試驗環境項目大氣壓力(kPa)大氣溫度(K)濕度(%)試驗時間試驗地點第一次102.2287.15702006.12.12浙江余姚第二次102.7292.90152006.12.16北京第三次100.1295.55502007.06.17北京2.2試驗結果9塊噴嘴臨界背壓的測量結果如表3所示。此外，表3還同時給出了噴嘴臨界背壓比的設計值和經驗公式(2)的計算結果。由於在此3個喉徑下，對於不同擴散角的噴嘴，其流出係數的模擬計算結果及經驗公式的計算結果完全一致，在此只給出