CN103278217B - 一种气体流量的产生方法和实现装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于产生气体流量的方法，包括以下步骤：a）通过管道（6）将气流输送到喷嘴（18）；b）通过该喷嘴（18）引导气流，调整喷嘴（18）上游压力p1，引导气流通过喷嘴（18）；c）引导气流通过喷嘴（18）下游的扩散段（20）；d）调整扩散段（20）下游的出口压力p2，使喷嘴（18）达到临界流，其特征在于，e）在引导穿过喷嘴（18）之前通过整流器（8）引导气流，该整流器：‑由气流可通过的材料制成，‑设置在管道（6）内，且‑完全充满管道（6）的横截面。

Description

一种气体流量的产生方法和实现装置
技术领域
本发明涉及一种用于产生气体流量方法以及实现该方法的装置。
背景技术
在气体流量测量领域，音速喷嘴，因其构造和使用上的简单，以及较好的长期稳定性，被大量作为工作标准和传递标准，如用于在试验台中校准和测试气量计。当需要产生恒定气体流量的来流时，音速喷嘴同样适用。
喷嘴实现临界流的前提在于背压比A，即出口压力p2与入口压力p1的比值，如果该比值低于临界值Acrit，喷嘴达到临界流，在这种情况下，通过喷嘴流动的气体在其最小截面处的速度为音速。进一步减小背压比，如通过在喷嘴后方较强地抽吸气体，喷嘴喉部处的速度不再增加。因此只要不超过临界值Acrit，则通过音速喷嘴的气体的流量有这样的速率，气体的体积流量不受背压比A的影响。
由于音速喷嘴良好的稳定性，如能够消除压力振动、泵振动、或涉及到入口压力p1和出口压力p2的其他干扰效应的影响，其能够以简单的方式实现固定的体积流量。
音速喷嘴的最大缺点在于使用中由设备所引起的相对较大的压力损失。根据气体种类，临界压力比Acrit的理论值约为Acrit=0.5。这意味着，气体中大约50%压力能量的损失。因此，使用音速喷嘴设备的能耗相对较高。
为应对这些缺点，在现有技术中已知的是，通常在音速喷嘴的出口侧设置作为出口结构的扩散段。通过扩散段横穿放大的横截面而带来的气体加速度将使得通过喷嘴最小截面后的气体达到超声速，从而可使临界背压比Acrit升高到约0.7。由此音速喷嘴的压力能量损失下降约20%～30%（通过扩散段的压力恢复）。扩散段中出现的超音速流在喷嘴后方或扩散段后将再次转入亚音速。
然而，特别是对小喉径的音速喷嘴，带有扩散段的设计具有一定的负面影响，文献称之为称为“提前非临界流”或“提前非壅塞”，这种现象出现在喷嘴的非正常使用中，即不管背压比A是否小于临界值Acrit，体积流量均取决于背压比A。当背压比A在临界值Acrit之下的区域中，流量还是受背压比A的影响，在此情况下，音速喷嘴失去了其技术优势。
为避免提前非壅塞的出现，充分利用音速喷嘴的技术优点，必须尽量降低背压比A，使得音速喷嘴的临界流不被调整入口压力p1和出口压力p2时出现的振动破坏，进入提前非壅塞区域。这一区域，为满足计量安全的所需的压力损失可达60%甚至更多，由于使用扩散段获得较高临界背压比Acrit的优势消失，扩散段几乎或根本不值得使用。
发明内容
本发明以解决上述问题为目标，提出一种气体流量和装置的制造方法以及实现这种方法的装置，该装置可以显著减少、甚至消除提前非壅塞现象。
本发明通过用于产生气流的方法来解决提出的问题，其特征在于气体进入音速喷嘴前先通过整流器，该整流器：
-由气流可穿过的材料制成，
-安装在管道内，
-完全充满管道的横截面。
本发明的提出基于以下认识，由于扩散段表面加工的粗糙度使得扩散段的中的超音速流在其壁面上出现交互作用而带来压力波动，该波动以较小的尺寸出现，并可以传递到喷嘴上游，从而导致提前非壅塞现象的出现。因此，通过在喷嘴上游降低且减少气流中的波动，例如声波，可以显著地减少该现象。平稳的气流从喷嘴入口开始加速直到喉部达到音速，进而在扩散段中达到超音速，在此过程中几乎不引起额外的波动，但额外的波动将带来提前非壅塞现象。通过由气流可穿过的材料制成的整流器引导气流，可除去高频振动，也可以滤除次声波，即几赫兹频率的密度波动，从而显著减少音速喷嘴的提前非壅塞区域。因此，喷嘴的背压比A能够显著接近临界值Acrit，而不会出现提前非壅塞的危险。基于以上方法，音速喷嘴的背压比A可达0.6～0.7，甚至更高，由此必需的压力能量损失在气体中可减少至约30%。
优选地，气体通过整流器、温度测量点和压力测量点，最后到达音速喷嘴。经过整流器的气流能够有效减少额外波动的产生。特别地有利的是，国际标准ISO9300：2003对音速喷嘴和整流器之间区域的管道标准予以了诸多规定，包括管道的垂直度，即没有弯曲、曲线或岔口，及避免管道内部中异常的温度和压力测量点。已有研究显示，整流器下游侧的温度测量结构不影响喷嘴的运行。通过整流器的平静气体流量不会影响温度测量点，整流器下游测的温度测量点的布置对测得的温度值没有影响。
用于实施这样方法的本发明的装置包括管道、喷嘴以及扩散段，管道中设置有气体可通过材料制成的整流器。整流器由隔音材料制成，此方式可非常有效地稳定气流且滤除大部分的声波，即气流中的密度波动。该方式可以极大地降低提前非壅塞区域，使音速喷嘴的背压比A尽可能的接近临界值Acrit。
优选地，整流器在管道中应与音速喷嘴有间距地设置，该间距小于管道直径的5倍，优选小于3倍，特别优选小于1.2倍。整流器与喷嘴离得越近，则由气流通过整流器之后覆盖的管道路径越小，可将气流直接引导到喷嘴，由此减小气体流动中造成新的波动的可能性，从而使气流尽可能地平稳地流过喷嘴。整流器最好直接紧挨喷嘴，使得通过整流器后的气体不再产生新的波动。当然，所有装置，如已经描述的温度和压力传感器可以设置在整流器的上游，同样可能的是，整流器并不直接紧挨喷嘴。
较为有利的是，在管道中设置有用于温度传感器的进口，其中该进口位于塞子的上游侧。已有研究表明，温度传感器的测量结果不会被设置在其下游侧的整流器妨碍或影响。但为减少温度传感器的安装而在管道中带来的新的波动或其他类型的紊流，其可位于整流器的上游，该方法可进一步地使气流稳定，减少音速喷嘴的提前非壅塞区域。
整流器可由多孔材料或烧结材料制成。气体通过整流器的孔隙尺寸应适应于管道的直径。管道的直径越小，整流器的孔隙应越小。同样地适用于喷嘴喉径，即喷嘴的最小截面处的直径。喷嘴直径越小，则孔隙尺寸也应该越小，对于较小喉径的喷嘴，微小的空间尺寸上的波动能够导致显著的效应，该效应在较大的喷嘴中可能基本上没有影响。
整流器的厚度应大于管道直径的一半，最好大于管道直径。在气体流动的管道方向上应测量整流器的厚度，整流器越厚，气流停留越久，能更稳定地从上游侧的整流器的末端中更平静地流出。
整流器可由蜂窝状多孔材料制成，如形状稳定的塑料或金属海绵。理想的整流器的最大孔隙尺寸应为喉径1/50的多孔材料，如果平均孔隙尺寸大于喷嘴喉径的1/50，则使用的材料需要被证明是可行的。整流器的结构长度，即其沿着管道方向的长度，至少为使用材料平均孔隙尺寸的200倍，其中通过该管道引导喷嘴的气流。可通过减小孔隙尺寸和/或增大整流器的结构长度的方式，进一步改善整流器的性能。
附图说明
以下凭借附图的帮助进一步叙述本发明的实施例。其中：
图1现有技术方法测量得到的背压比A随质量流量变化的图示；图2根据本发明实施例的装置。
附图标记列表：
A 背压比
Acrit 临界背压比
D 直径
1 线段
2 提前非壅塞区域
4 下限
6 管道
8 整流器
10 双箭头
12 温度传感器
14 压力传感器
16 安装部件
18 喷嘴
20 扩散段
具体实施方式
图1示出了不同背压比A时通过喷嘴的质量流量变化ΔQm,rel。图1中线段1表示背压比A小于临界背压比Acrit的区域，该区域内喷嘴可以达到临界，其质量流量的相对变化为0。除了实验测量值的正常波动，背压比A在0.375～0.53范围内质量流量存在着显著变化。首先质量流量相对于临界质量流量显著地降低，曲线明显朝向小于0的区域。图1中附图标记2示出的区域为提前非壅塞区域。为了充分利用音速喷嘴临界流的特点，基于图1示出的音速喷嘴特性，不管喷嘴的实际运行中的压力和泵波动，背压比A应小于提前非壅塞区域2的上限4。图1所示的实施例中显示为利用喷嘴临界流的优点，必须将背压比A小于0.4甚至小于0.35。这意味着气体中的压力损失大于60%，因此通过使用扩散段获得的优点大于没有使用的。
图2示出基于本发明实施的装置。气流在图2中所示左边进入管道6，接着首先流过由可透过气流材料制成的整流器8。整流器8在管道6中这样设置，为避免气体不经过整流器8，整流器8完全充满管道6的横截面。
图2右侧离开整流器8的气体流过通过双箭头10示出的安装区域，温度传感器12以及压力传感器14设置在此区域。温度传感器12和压力传感器14在图2中仅示例性地示出，温度传感器12配有插入管道6中的安装部分16。
气体在穿过整流器8的过程中稳定下来，压力波动，如声波或次声波大幅甚至完全衰减。设置在整流器8下游侧的温度传感器12与其安装部分16在气流中有可能引入新的波动或压力振动。因此，可将整流器8安装在温度传感器12的下游，此法不会影响温度传感器12测量的温度值。
与此相反，压力传感器14无需突出到管道6中，因此其位置设置在整流器8上游或下游侧不是关键。但同样的，可以将压力传感器14设置在整流器8上游侧。
当气体流过由双箭头标明的区域之后，到达喷嘴18，通过最小直径d的喉部，到达位于喉部下游的横截面放大部的扩散段20，在该区域中气体将被加速到超音速。
扩散段20的壁设置有凹凸处或不规则处。通常，如图2所示，喷嘴18和扩散段20共同构成一个组件。扩散段20的壁面通常由单块金属块普通通过机械加工或研磨的方式加工得到，由此产生槽，因此有凹凸或不规则处。本发明基于这样的认识，因此，如果存在波动，特别是压力波动在通过喷嘴18的气流后与扩散段20凹凸处相互作用，在扩散段20的壁面的槽上以及很小的凹凸处会产生很小的马赫震荡波。整流器8可以使这样的波动衰减或甚至完全消除。
本发明通过简单的结构，能够以非常简单、低成本且不容易出错的方式显著降低或甚至完全抑制图1中示出的提前非壅塞区域2的出现。

Claims (10)

1.一种气体流量的产生方法，包括以下步骤：
a)通过管道(6)将气流输送到喷嘴(18)；
b)通过该喷嘴(18)引导气流，调整喷嘴(18)上游压力p1，引导气流通过喷嘴(18)；
c)引导气流通过喷嘴(18)下游的扩散段(20)；
d)调整扩散段(20)下游的出口压力p2，使喷嘴(18)达到临界流，其特征在于:
e)在引导穿过喷嘴(18)之前通过整流器(8)引导气流，整流器(8)在管道(6)中与喷嘴(18)间距地设置，该间距小于管道(6)直径的5倍，喷嘴(18)和扩散段(20)共同构成一个组件，扩散段(20)的壁面由单块金属块通过机械加工或研磨的方式加工得到，扩散段(20)的壁设置有凹凸处或不规则处，压力波动在通过喷嘴(18)的气流后与扩散段(20)凹凸处相互作用，在扩散段(20)的壁面的槽上以及很小的凹凸处产生很小的马赫震荡波，整流器(8)使所述波动衰减或者完全消除，其中，该整流器：
-由气流可通过的材料制成，由蜂窝状多孔材料制成，最大孔隙尺寸为喉径的
1/50，整流器的长度至少为使用材料平均孔隙尺寸的200倍，
-设置在管道(6)内，且
-完全充满管道(6)的横截面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在引导气流流过喷嘴(18)之前，首先通过整流器(8)，然后在管道(6)中沿气流方向设置温度测量点(12)和压力测量点(14)。
3.一种用于实现权利要求1或2所述的气体流量的产生方法的装置，该装置具有：管道(6)，由气流可穿过的材料制成的整流器(8)，喷嘴(18)和扩散段(20)。
4.如权利要求3中所述的装置，其特征在于，整流器(8)由吸音材料制成。
5.如权利要求3或4中任一项所述的装置，其特征在于，所述间距小于管道(6)直径的3倍，或小于管道(6)直径的1.2倍。
6.如权利要求3或4中任一项所述的装置，其特征在于，整流器(8)与喷嘴(18)直接相邻。
7.如权利要求3或4中任一项所述的装置，其特征在于，在管道(6)中设置有用于温度传感器(12)的入口，所述入口位于整流器(8)下游侧。
8.如权利要求3或4中任一项所述的装置，其特征在于，整流器(8)由多孔塑料制成。
9.如权利要求3或4中任一项所述的装置，其特征在于，整流器(8)由烧结材料制成。
10.如权利要求3或4中任一项所述的装置，其特征在于，整流器(8)的厚度大于管道(6)直径的一半，或大于管道(6)直径。
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