微小流量测量音速喷嘴的流动特性
音速喷嘴公式推导
音速喷嘴公式推导1. 气体热力学性质在工程热力学中，常用的状态参数有六个，即压力p 、体积V 、温度T 、热力学能U 、比焓h 和比熵s .其中,焓H 是一个组合状态参数pV U H +=单位质量物质的焓称为比焓hmH h =熵是一个导出的状态参数,对简单可压缩均匀系,它可以由其它状态参数按下列关系式导出:0T dV d S p U S ++=⎰, TVp U S d d d +=单位质量物质的熵称为比熵d d s T v p u m S s ++=⎰, Tvp u m dS ds d d +== 比热容也是物质的重要热力性质之一,它的定义为单位质量的物质在无摩擦内平衡的特定过程中,作单位温度变化的时候所吸收或放出的热量.气体的比热容,常用的有比定容热容(v c )和比定压热容(p c )Tq Tqc vv v d )(δδ=∂=Tq Tqc pp p d )(δδ=∂=比定压热容与比定容热容的比值称为热容比,用γ表示vp c c =γ对于完全气体,以下等式成立:RT p ρ=(R 为气体常数), γρc p =(c 为常数), R c p 1-=γγ1-=γRc v , T c h p = 由熵的定义可以看出,只要过程进行时,热力系向外界放出的热量始终等于热产,那么过程就是等熵的.但是,通常所说的定熵过程都是指无摩擦绝热过程. 绝热过程是指热力系在和外界无热量交换的情况下进行的过程. 2. 可压缩流体运动的三种参考状态(1) 滞止状态滞止状态,是指流体从某一状态经历一个等熵过程,使其最终流动速度为零时所达到的状态.对于静止流体,它所处的状态就是滞止状态;对于流动的流体,滞止状态可以看成是这样一种假想的无限大的容器中流体的“静止状态”，从这一状态等熵加速，最后流体恰好能达到该流动状态.按滞止状态的定义,每个流动状态的滞止状态都是惟一确定的,因而,每个流动状态都有惟一的滞止压力、滞止温度、滞止密度、滞止焓等滞止参数. 滞止参数又称为总参数.作为一种参考状态,滞止状态的概念是与流体实际流动中所发生的过程无关的,在实际流动过程中,沿流动途径可以有热量交换或存在摩擦力等,但沿实际流动的每个截面上,都存在上面定义的滞止状态,这样,滞止状态是每一截面上流动状态的函数,一般而言,滞止状态是沿流动方向变化的量,只有在流体作等熵流动时,滞止参数才是沿整个流动途径不变的量.滞止状态对应的参数称为滞止参数,在参数相应表达字母的右下角用角标“0”表示,如滞止压力0P 、滞止温度0T 、滞止密度0ρ. （2）临界状态可压缩流体在流动过程中，其压力、密度、温度和流速等参数都会沿流动方向发生变化.若在某一截面上,流体的流速与该截面上流体介质中的当地声速相等,则称该截面为临界截面,该截面所处的状态称为临界状态,临界状态的参数称为临界参数,用下角标“*”表示，如临界压力*P ，临界温度*T ，临界密度*ρ. (2) 极限速度状态当可压缩流体作绝热流动时,如果存在一个截面,当流体达到该截面处时,它的比焓值降至0=h ,则流体的速度可达到最大极限值.此时的流速称为极限速度,流体所处的状态称作极限速度状态.极限速度m u 和滞止焓0h 之间有如下关系:02max 21h u = 或02h u =.（4）三种状态参数之间的关系 完全气体的声速公式为RT a γ=定义马赫数RTv a v M a γ==即流体质点的运动速度与流体质点当地的声速之比。
音速喷嘴式燃气表流量标准装置
音速喷嘴式燃气表流量标准装置
音速喷嘴式燃气表流量标准装置是用于校验、检测和标定燃气表的一种设备。
它采用了音速喷嘴原理，通过测量喷嘴出口处的流量和喷嘴压差来确定燃气流量。
音速喷嘴是一种特殊形状的喷嘴，能使燃气在通过喷嘴时达到音速，此时流速已经达到了最大值。
标准装置中一般设有压力传感器和温度传感器，用于监测喷嘴进口和出口处的压力和温度，并通过计算得出喷嘴的流量。
标准装置还会配备流量计，用于直接测量喷嘴出口处的流量，以作为校验和标定的依据。
通过与待校验的燃气表进行比对，可以得出其流量测量的准确性和误差。
如果燃气表的流量测量偏差较大，可以进行调整和修正，以确保燃气表的准确性。
音速喷嘴式燃气表流量标准装置在燃气表校验和标定中起到了重要的作用，能够提供准确的流量测量结果，保证燃气表的可靠性和准确性。
音速喷嘴法气体流量标准装置
定期校准
为保证测量准确度，应定期对 装置进行校准和维护。
清洁与保养
定期对装置进行清洁和保养， 保持其良好的工作状态。
异常处理
如遇装置故障或异常情况，应 立即停机检查，并联系专业人
员进行维修。
04 优势与局限性
音速喷嘴法的优势
高精度测量
音速喷嘴法能够实现高精度的气体流量测量， 测量误差较小。
稳定性好
与孔板流量计比较
孔板流量计结构简单、价格便宜，但在流体粘度、压力和组分变化时，需要进 行修正；音速喷嘴法在流体粘度和组分变化时的误差较小，但价格较高。
05 应用案例与效果分析
应用案例一：工业气体流量测量
总结词
音速喷嘴法在工业气体流量测量中具有高精度、高可靠性的 特点，能够满足工业生产中对气体流量测量的严格要求。
音速喷嘴法气体流量标准装置
contents
目录
• 概述 • 装置结构与工作原理 • 操作流程与注意事项 • 优势与局限性 • 应用案例与效果分析
01 概述
定义与原理
定义
音速喷嘴法气体流量标准装置是 一种用于测量气体流量的装置， 采用音速喷嘴作为核心测量元件 。
原理
基和 温度变化，计算出气体的流量。
音速喷嘴法具有较好的稳定性，能够保证长 时间内测量的准确性。
宽测量范围
音速喷嘴法适用于较大范围的气体流量测量， 能够满足多种应用需求。
易于维护
音速喷嘴法的结构简单，维护方便，降低了 运营成本。
音速喷嘴法的局限性
对气体压力和温度敏感
对喷嘴质量要求高
音速喷嘴法的测量结果受气体压力和 温度的影响较大，需要额外的压力和 温度补偿。
详细描述
音速喷嘴法气体流量标准装置在工业领域应用广泛，尤其在 石油、化工、电力等行业。它能够准确测量各种气体流量， 如天然气、煤气等，为工业生产提供可靠的数据支持。
音速喷嘴流量传统测量法的优化及湿空气流量测量的解决方法
１
音速喷嘴流量测量原理
音速喷嘴就是流通面积变化的一段导管，流线示意如图１。
就得到气体的质量流量Ｇ＝ｐ：％Ｓ：，这就是音速喷嘴流量测量原
理。 ２
音速喷嘴流量方程
首先探讨通过音速喷嘴的流体为干空气的情况。气体的一
维定常流是指在每个截面上每项流动参数都是同一个值（工程
上一般指截面平均值）。这些参数只随流向坐标两变，与时间
为流体的比热比（对空气ｋ一１．４）；Ｒ为气体常数（对空气Ｒ一
２８７
Ｇ＝器【－＋掣鬻】击×
Ｊ／ｋｇ・Ｋ）。 通过音速喷嘴的实际流量为
１
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入口马赫效Ｍ，。
该方程求解难度较大。传统的解决办法是将音速喷嘴入口气流
参数近似认为滞止参数。从理论角度讲，要满足该条件，ｓ。必
纲；ｓ为管道流通面积，单位ｍｍ２；Ｄ为管道内径，单位ｍｍ；Ｃ。
为定压比热，单位ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）；Ｇ为流量，单位ｋｇ／ｈ；西为相对 湿度，单位％ＲＨ；ｄ为绝对湿度，单位ｇ／ｋｇ・ｄｒｙ ａｉｒ；Ｐ。为饱和水 蒸气分压力，单位ｋＰａ；Ｐ。为湿空气水蒸气分压力，单位ｋＰａ；ｋ
３种情况，如按传统测量法，其结果相对误差分别为：ｌ％、２％、 ３％。这样的误差，作为计量器具，显然是不应被忽视的。
Ｐ－ｐ。＝２００
……Ｇ传／（ｋｇ／ｈ）—＿Ｇ优／（ｋｇ／ｈ）
图３
ｋＰａ；干空气质量流量Ｇ优＝２１５３．８７ ｋｇ／ｈ；水蒸气质
量流量ｃ水＝３５．５６ ｋｇ／ｈ；管道内湿空气真实流量Ｇ实＝２１５３．８７ ｄｐｌ７．５４０音速喷嘴测量结果曲线图（掷Ｏ管道，‘＝２５℃）
音速喷嘴气体流量标准装置小流量检测出现的问题及解决方案
摘 要 ：对音速喷嘴气体标准装置 的研究 、设计 制造并对装置 的校准及应用 ，发现现 有国内大 多数音速喷嘴气体标
准装置对小流量检测精度低 ， 或标定 前的稳 定时间太长 。经过进一 步探 究 ， 对 装置进行了重新设计和改造 ，解决 了
装置检测小流量不准确问题和大大缩短了标定前的稳定时 间。 关键词 ：音速喷嘴气体标准装置； 小流量效验；标定前的稳定时间
Ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｎｏ ｚ ｚ ｌ ｅ Ｇａ ｓ Ｆｌ ｏ ｗ Ｓｔ ａ ｎｄ ａ ｒ ｄ Ｄｅ ｖ ｉ ｃ ｅ Ｓ ｍａ ｌ １ Ｆｌ ｏ ｗ
Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｓ ａ ｎ ｄ Ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ
１ ． １ 对小流量的校验标定准确度不高
在现 有的大部 分音速 喷嘴气体标准 装置 中 ，所 有的 喷
嘴 共 用 一 个 前 滞 止 容 器 ，且 容 器 一 般 在 ４ ｍ 左 右或更 大 ，
用来测 量前滞 止容器 压力 的 ±０ ． ０ ５ ％内压 力变送 器显示 值不
１ 问题 的提 出
音 速 喷 嘴气 体 流量 标 准装 置 ，以其结 构 简 单 、性 能 稳定 、准确度 高 、无 可动部件 、喷嘴校验 间隔时 间长 、维 护方 便等特 点 ，在气体 流量计 的检定及校 准 中得到 广泛应
用 。负压法音 速喷嘴气 体标准装 置 ，已成 为气体流 量检定
Ｋｅ ｙ ｗ ｏｒ ｄｓ：ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｎ ｏ ｚ ｚ ｌ ｅ ｇ ａ ｓ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ； ｓ ｍａ ｌ ｌ ｌ ｆ ｏ ｗ ｒ ａ ｔ ｅ ｃ ａ ｌ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ； ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｉ ｍｅ ｂ ｅ ｏｒ ｆ ｅ ｃ ａ ｌ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
实验三：喷管流动特性的测定
试验三 喷管流动特性的测定一、实验目的和任务1．目的：巩固和验证有关喷管基本理论，熟悉喷管的机理，掌握气流在喷管中流速、流量、压力变化的规律及有关测试方法。
2．任务：对缩放喷管进行下列测定：（1）测定不同工况（初压p 1不变，改变背压p b ）时期流在喷管中的流量q m ；绘制q m -p b 曲线；比较最大流量q m ,max 的计算值和实验值；确定临界压力p cr 。
（2）测定不同工况时气流沿喷管各截面（轴线位置X ）的压力p 的变化；绘制出一组p -X 曲线；分别比较临界压力p cr 的计算值与实验值；观察和记录p cr 出现在喷管中的位置。
（3）通过电测装置，在X-Y 记录仪上绘制出q m -p b 曲线和p -X 曲线。
二、实验原理1．在稳定流动中，任何界面上质量流量都相等，且不随时间变化，流量大小可由下式确定：])()[(12112212112222kk kf m p p p p v p k k A v c A q +--==（1）式中：k —比热比（绝热指数，k =c p /c v ）A 2—出口截面积（m 2） v —气体比容（m 3/kg ） p —压力（Pa ）角注号：1指喷管入口，2指喷管出口。
若降低背压，使缩放喷管的喉部压力p 降至临界压力时，喷管中的流量达最大值：11111112max ,10404.0685.01212T p A v p A v p k k k A q cr cr k cr m ==⎪⎭⎫ ⎝⎛++=- （2） 临界压力p cr 的大小为：111528.0)1p p k p k kcr =+=-2（ （3）喷管中的流量q m 一旦到达最大值，再降低背压p b ，流量q m 保持不变，流量q m 随背压p b 的变化关系如图1所示，缩放喷管与渐缩喷管的不同点是，流量达到最大值时的最高背压p b 不再是p cr ，而应是某一压力p f 。
2．沿喷管轴线X 各截面的压力p ，在喷管形状和工质的初态及背压一定时，可根据连续性方程和状态方程计算而得，也可用实验方法测得如图2所示的图形。
研究微型流量计的动力学特性和精度
研究微型流量计的动力学特性和精度微型流量计是现代工业生产过程中不可或缺的一种仪器设备，它可以精确地测量流体的体积或重量。
微型流量计的动力学特性和精度是评价其性能优劣的关键指标，本文将深入探讨微型流量计的动力学特性和精度，并对其分析评价方法进行研究。
一、微型流量计的动力学特性微型流量计的动力学特性是指其响应特性、滞后特性和频响特性，这些特性直接影响其测量精度和实际应用效果。
响应特性是指微型流量计对流体流量变化的反应速度，一般用响应时间表示。
响应时间越短，说明微型流量计的反应速度越快，响应特性越好。
影响微型流量计响应特性的因素主要包括传感器灵敏度、电路设计和滤波器等。
滞后特性是指微型流量计响应流量变化的延迟程度。
在测量实际流体时，由于流体流量的突变，微型流量计可能会出现一些误差，这部分误差就归因于滞后特性不佳。
为了减小这种误差，可以采用动态校正算法、信号调理电路等方法。
频响特性是微型流量计响应频率的能力，它也直接影响微型流量计的精度。
一般来说，微型流量计的频响特性越好，其对小流量测量的精度就越高。
影响微型流量计频响特性的因素主要包括传感器灵敏度和信号滤波等。
二、微型流量计的精度微型流量计的精度是指其测量值与实际值之间的误差，是一个重要指标，直接关系到其实际应用效果和测量准确性。
微型流量计的精度受多种因素的影响，主要包括传感器功率、温度、压力、流体性质以及操作环境等。
为了提高微型流量计的精度，需要进行多层次的优化和校准。
传感器功率是指微型流量计在工作时所需的电力。
当电力不足时，传感器可能无法提供稳定的信号输出，从而影响微型流量计的精度。
为了解决这个问题，可以采用更高功率的传感器或者加装电容等方法。
温度和压力也是影响微型流量计精度的重要因素。
当温度和压力发生变化时，微型流量计会出现一定的误差。
为了提高其精度，需要采用具有自动温度和压力补偿功能的设备，或对其进行常规的校准和调整。
流体性质也是影响微型流量计精度的重要因素。
小流量压力雾化喷嘴性能试验研究
油周向分布不均匀度在 １ ３ ． ９ ％ ～１ ９ ． ８ ％之问 ， 燃油流 量和雾 化粒度 索特 尔平均 直径 （ Ｓ ＭＤ） 随 压 力 的变化符合压力雾化喷 嘴的一般规律 。该试验 丰富了小 流量 压力雾化 喷嘴数据库 ， 为小 流量燃
油 喷嘴 的设计 和改进 提供 了重要参 考依 据。
Ｅｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｏ ｆ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｏ ｆ ａ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｌｏ ｆ ｗ ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｕｒ ｅ － ｓ ｗｉ ｒ ｌ ａ ｔ ｏ ｍｉ ｚ ｅ ｒ
Ｚ Ｈ Ａ ＮＧ Ｈｏ ｎ ｇ — ｘ ｉ ａ ， ＷＡ Ｎ Ｇ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ － ｊ ｕ ｎ ， Ｓ Ｕ Ｎ Ｔ ｉ ｎ ｇ
摘要 ： 对小流量压力雾化喷嘴性能进行 了试验研究 。主要测定 了喷嘴在供 油压力 ３ ． ０ ＭＰ ａ 下 的燃 油量特 征和雾 化粒度特 性进行 了详细 的试验 研究。试 验结果表明 ， 在３ ． ０ ＭＰ ａ 供 油压力下 ， 喷嘴 的流量均匀稳定 ， 锥角 在 ６ １ ． １ 。一 ６ ９ ． １ 。 之间 ， 燃
ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｍｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｎｏ ｎ— ｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ａ ｔ ｏ ｍｉ ｚ ｅ ｒ ｕ ｎ ｄｅ ｒ ｔ ｈｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ３． ０Ｍ Ｐａ ａ ｒ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ； ａ ｌ ｓ ｏ， ｈｅ ｔ ｌｏ ｆ ｗ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉｓ ｒ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉｓ ｒ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ． Ｔｈｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈａ ｔ ． ｈｅ ｔ ｌｏ ｆ ｗ ｉ ｓ ｓ ｔ ａ —
音速喷嘴式气体流量标准装置测量结果的不确定度评定
气体容积式流量计测量结果的不确定度评定一、概述1、测量依据：JJG633-2005《气体容积式流量计》。
2、环境条件：温度（20±5）℃，相对湿度（40%〜70%），大气压力（86〜106）kPa。
3、测量标准：音速喷嘴式气体流量标准装置，测量范围为（1〜6000） m3/h o4、被测对象：LLQZ-80气体智能罗茨流量计，流量范围（3〜250）m3/h,准确度等级1级。
5、使流体在相同的时间间隔内连续流过被检流量计和标准器，比较两者的输出值，从而确定被检流量计的相对示值误差。
6、评定结果的使用：符合上述条件的测量结果，一般可直接使用本不确定度的评定方法。
二、数学模型根据气体动力学原理，当气体通过音速喷嘴时，喷嘴上、下游气流压力比达到某一特定数值的条件下，在喷嘴喉部形成临界流状态，气流达到最大速度（音速）。
此时q m只与喷嘴入口处的滞止压力和温度有关，而不受其下游状态变化的影响。
模型如下：式中：E—流量计相对示值误差一流量计累积流量值Qmm-与Q mm同一温度和压力状态下标准器累积流量值Qmqm 4"*——式中：q m—通过音速喷嘴在实际条件下的质量流量;A*一音速喷嘴喉部的截面积；C一音速流喷嘴的流出系数；C*—实际气体的临界流函数；P0一喷嘴前气体的绝对滞止压力；T0一喷嘴前气体的绝对滞止温度；RM-气体常数。
三、测量不确定度分析对一台LLQZ-80气体智能罗茨流量计，流量范围(30〜250)m3/h进行检测，数据如下：测量重复性：测量重复性引起的不确定度分量采用极差法，选取最大值0.12% u(E)=—=——=0.0697%四、标准不确定度分量评定（1）喉部截面积的标准不确定度考虑到喷嘴使用与标定时取值时相同，所以可将其看成常数，因此可忽略他们的不确定度。
（2）流出系数的标准不确定度u（C d）流出系数的标准不确定度u（C d）可根据喷嘴检定证书给出的流出系数准确度0.2%来确定。
音速喷嘴 (2)
音速喷嘴介绍音速喷嘴（Sonic nozzle）是一种重要的流体控制装置，在各种工业应用中广泛使用。
它通过构建一种特殊的流道来实现流体的加速和减速，以达到特定的流量控制目的。
本文将详细介绍音速喷嘴的原理、结构以及应用领域等内容。
原理音速喷嘴基于伯努利定理和连续性方程，通过合理设计的流道使流体在喷嘴中加速，并达到音速。
伯努利定理描述了流体在静态压力、动能和重力势能之间的平衡关系。
在音速喷嘴中，当流体通过收敛段时，由于喷嘴截面逐渐缩小，流速逐渐增大，同时静态压力逐渐降低。
当流体到达喉部时，流速达到声速，此时静态压力降到最低值。
在扩散段，喷嘴的截面逐渐增大，流速逐渐减小，同时静态压力逐渐恢复。
结构音速喷嘴的结构包括收敛段、喉部和扩散段三个部分。
收敛段为流道逐渐收缩的部分，喉部为流道的最窄部分，扩散段为流道逐渐扩大的部分。
收敛段的设计可以使流速逐渐增加，形成高速流动。
喉部的设计是为了达到声速，通过调整喉部的尺寸可以控制喷嘴的流量。
扩散段的设计是为了使流速逐渐减小，同时静态压力逐渐增加。
应用领域航空航天领域音速喷嘴在航空航天领域有着广泛的应用。
例如，在喷气发动机中，音速喷嘴可以用于控制燃油的喷射速度，实现对喷气发动机推力的精确控制。
同时，音速喷嘴还可以用于导弹和火箭的喷嘴设计，以提高推进系统的效率和性能。
化工行业音速喷嘴在化工行业中也有着重要的应用。
例如，在炼油厂中，音速喷嘴可以用于控制油品的流量和压力，确保生产过程的稳定性和安全性。
此外，音速喷嘴还可以用于化工反应器中的流体喷射和混合等过程，提高反应效率和产品质量。
实验室研究音速喷嘴在实验室的流体实验研究中也经常使用。
例如，在流体动力学实验中，音速喷嘴可以用于产生高速气流，用于测量和研究气流的性质和行为。
此外，音速喷嘴还可以用于气体分离和精细加工等实验研究中，提供精确的流体控制和调节。
总结音速喷嘴是一种重要的流体控制装置，通过合理设计的流道实现流体的加速和减速。
喷嘴流量计原理应用
随着油气田的开发,高压气体的输送和高压大流量气体流量的测量,需要大量的流量仪表和标准装置,临界流喷嘴流量计在解决高压大流量气体流量计量问题中起到了重要作用,并得到了广泛应用Λ20世纪70年代以来,英国国家工程实验室、法国煤气公司、英国煤气公司工程研究所、美国国家标准局、Co lo rado 工程研究所、日本国家计量研究所以及我国的计量研究院等对临界流喷嘴作了系统研究,现已为ISO 采纳为国际标准ISO 9300[1]Λ但是,在临界流喷嘴的实际应用中,人们往往不能正确掌握使用方法而引起误差Λ使用流量公式时不能正确理解某些物理量的意义及使用单位,尤其是临界流函数中的参数应用,从而造成数量级概念的错误Λ1 临界流喷嘴的结构及工作原理我们已经知道,当气体流经一个渐缩喷嘴时,如果保持喷嘴上游端压力P 0和温度T 0不变,使其下游压力P 2逐渐减小,则通过喷嘴的气体质量流量q m 将逐渐增加Ζ当下游压力P 2下降到某一压力P C 时,通过喷嘴的质量流量将达到最大值q m ax ,此时喷嘴出口的流速已达到当地音速a Ζ如果继续降低下游端压力P 2,通过喷嘴的质量流量将不再增加,(如图1所示),流速也保持音速不变Ζ我们将喷嘴出口的流速达到音速的压力P C 称为临界压力,P C P 0称为临界压力比,此时通过喷嘴的流量称为临界流量Ζ图1 音速喷嘴的结构和流量特性R ΖR M 为通用气体常数(8.314kJ km ol -1K-1),M 为气体分子量Ζ实际上,K 和R 都为流体物性参数,所以,没有必要将R 分离出代表物性参数的临界流函数<Ζ<=2K +1K +12(K -1)K R (2)<3=2K +1K +12(K -1)K(2’)式(1)表示流经喷嘴的质量流量仅与喷嘴入口处介质性质(K 、R )及热力学参数(P 0、T 0)有关,而与下游状态无关Ζ也即,当下游压力P 2下降到临界压力以下时,即使有所变动,通过喷嘴的质量流量也保持恒定Ζ由气体动力学可知,临界压力比P C P 0=(2 K +1)K K +1,例如对于空气,常温下K =1.4,P C P 0≈0.528Ζ显然,这样的压力降(也即压力损失)对于某些系统是不能允许的Ζ为了减小临界流喷嘴的压力损失,近年来国内外较常用的结构是出口带扩压管的临界流文丘利喷嘴Ζ它可以使部分压力得到恢复,从而减小临界流喷嘴的压力损失Ζ目前较佳的结构已可以使喷嘴前后的压力比P 2 P 0上升到0.9左右Ζ下面以临界流文丘利喷嘴为例来讨论临界流喷嘴Ζ喷嘴流量计原理应用这里ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｙｈｃｋ８８．ｃｏｍ／进行帮助。
音速喷嘴气体流量标准装置的误差分析
音速喷嘴气体流量标准装置的误差分析Error Amalysis for Sonic Nozzle Gas Flow Standard Device由于音速艾丘利喷嘴具有结构简单、体积小、性能稳定、重复性好、精度高等优点，被作为气体流量传递标准，在国内外得到广泛的应用。
下面主要以常压法为例分析其工作原理和误差来源。
1 音速文丘利喷嘴气体标准装置的工作原理常压法音速文丘利喷嘴气体标准装置如图1所示。
用8只不同规格的标准喷嘴并联，有3种管径法兰连接被校仪表，通过电磁阀根据流量大小选定不同的喷嘴组合，可产生255种不同流量。
1—板式过滤器；2—被校表；3—电磁阀控制的气动球阀；4—滞止容器；5—音速喷嘴；6—电磁阀控制的气动球阀；7—汇合容器；8—真空泵；9—循环水线；10—吸气管及消音器；Pi—压力变送器；Ti—一体化温度变送器图1音速文丘利喷嘴气体标准装置工作过程：打开压缩机和真空泵，操作者输人所需参数，计算机根据设定流量大小自动打开相应的喷嘴开关，等待流量稳定(p5/p1<0.8)以后，计算机通过数据采集卡定时采集温度和压力等模拟信号和脉冲量，计算出流过被校表的质量流量和工作状态及标准状态下体积流量、被校表测量的流量值，二者比较可得出被校表的流量系数、线性误差、重复性误差和准确度。
其中音速文丘利喷嘴的结构形状如图2所示。
当p<p0小于或等于临界压比时(由于p不容易测量，通常用压力比p S/p0判断)，气体通过喷嘴最小截面处(喉部)的流速达到当地音速，而且始终保持此速度不变，即马赫数等于l。
所以其流量只与上游压力有关而与下游压力无关，流出系数只与雷诺数有关，图2 音速文丘里喷嘴原理图因此就可以达到很高的测量准确度。
此时，用音速文丘利喷嘴测量的气体质量流量为q m=ACC'p0/ (1)式中：qm为音速喷嘴在实际条件下的质量流量；A为音速喷嘴喉部的内截面积；p0为音速喷嘴入口的气体滞止绝对压力；T0为音速喷嘴入口的气体滞止绝对温度；C’为实际气体的临界流函数，由滞止条件（p0，T0）查表得到；C为流出系数，是对“一维、等熵流动”这种假设的修正；M为实际气体的摩尔质量。
音速喷嘴法检定气体流量分析
备C^S IEngineering 工程音速喷嘴法检定气体流量分析王国建(景德镇市计量测试研究所，江西景德镇333000)摘要：随着科技的进步发展，在气体流量检测方面的科学技术在迅猛发展，本文将主要对于音速喷嘴法检定气体流量 进行分析，希望能够通过本文的详细介绍，给予大家一些启发。
关键词：气体流量；检定；音速喷嘴法中图分类号：TH814 文献标识码：A文章编号：1671-0711 (2017) 02 (上）-0067-02对于气流流量的检测，一直以来都是我国在技术上存在的难题。
然而自从音速喷嘴法诞生之后，我国在气体流量方面的检测就逐渐得到了完善，检定结果也越来越准确。
但是对于音速喷嘴法，很多人都不太了解，本文将对此进行探讨，为大家提供一个详细明确的解释。
1音速喷嘴法的原理分析对音速喷嘴是一个一端半径小，另一端半径大的圆形渐缩渐放通道。
气流通过音速喷嘴的渐缩阶段时，速度会变的很快，压力也会减小，此时在喷嘴半径最小的那个界面口，就会形成音速，达到临界气流。
而在达到临界气流之后，就会进人一个渐扩阶段，此时就会将气流的速度动能转化成另外一种形式的压力能，之后便会使压力恢复。
这就是音速喷嘴的基础原理。
音速喷嘴法不只是一个两边半径不同的金属固体，它有着非常紧密细致的结构。
它包括音速喷嘴容器装置系统、真空负压站数据采集和工控机控制系统。
正是由于这四个部分的完美组合，层层递进，才诞生出了音速喷嘴法。
在这四个环节中，只要任何一个部分出现错误、纰漏、疏忽，都会严重影响到最后的测量结果，气体是一个很容易被影响到的东西，无论是外界的环境还是机械装备的缺陷，都必然会影响到气体流量的大小和技术进程中的测量，所以在运行过程中必须万分小心。
音速喷嘴装置由以下主要部件构成：真空泵、阀门、汇合容器、滞止容器、音速喷嘴、被检表和过滤器，除此之外还有各种检定的管道，在每个检定管道上，都附有温度计和压力变送器，用来收集温度和压力信号。
滞止容器里面还含有温度变速器和压力变送器，用来制止温度和压力信号。
喷管中气体流动特性的测定
喷管中气体流动特性的测定喷管是一些热工设备的重要部件，这些设备工作过程和喷管中气体的流动过程有密切的关系。
一、实验目的1、观察气流完全膨胀时沿喷管的压力变化，测定流量曲线和临界压力比。
2、了解喷管中气体流动现象的基本特性。
3、观察渐缩渐扩喷管中膨胀不足和膨胀过度的影响。
4、了解工作条件对喷管中流动过程的影响。
二、实验原理气体流经喷管的流动过程中，气流状态参数υ、流速c 和喷管截面积f 之间的基本关系如下： 0=−+vdv f df c dc （1） 喷管可以用f=F （x ）表示截面积轴向距离x （自进口截面积算起）的变化。
在设计的进气压力和排气压力（常称为背压）条件下，气体在喷管内绝热流动时的压力变化可用下式表示为：()dx df M f kM Pdx dp 1122−= （2） 式中M 为马赫数：是表示气体流动特性的一个重要值。
M 〈1时，表示气体流速小于当地音速，为亚音速流动；M=1时，气体流速等于当地音速值；M 〉1时，气流做超音速流动。
当喷管的使用条件改变时，喷管内气流的压力分布发生变化，气流的流速和质量流量也将发生不同的变化。
1、渐缩喷管气体流经喷管的膨胀程度可以用喷管的背压P 2和进口压力P 1之比β表示，12P P =β称为压力比。
气体在渐缩喷管内绝热流动的最大膨胀程度决定于临界压力比βc ： 1/112−⎟⎠⎞⎜⎝⎛+==k k c c k P P β （3）临界压力比只和气体的绝热指数有关。
对于空气等双原子气体k=1.4，b c =0.528。
上式中P c 为气体在减缩喷管中膨胀所能达到的最低压力，称为临界压力P c =b c 。
P 1决定于进口压力。
气体在减缩喷管中由P 1膨胀到P 2=P c ,如图3.1曲线1所示，是最充分的完全膨胀情况。
这时，喷管出口的气体流速达到当地音速的数值，称为临界流速。
当备压P 2低于临界压力P c 时，气体在减缩喷管中不能继续膨胀到备压P 2，只能膨胀到临界压力P c 。
音速喷嘴气体流量原理
音速喷嘴气体流量原理1. 引言音速喷嘴是一种用于测量气体流量的装置，它基于流体力学和热力学原理。
在工业领域，准确测量气体流量对于控制生产过程、优化能源利用和保证安全运行至关重要。
音速喷嘴是一种常用的气体流量测量装置，它通过测量气体在喷嘴中通过的速度来计算流量。
2. 基本原理音速喷嘴是基于质量守恒定律和能量守恒定律的原理进行设计和运作的。
其基本原理如下：2.1 质量守恒定律质量守恒定律指出，在封闭系统中，质量的总量不会发生变化。
对于一个喷嘴来说，进入喷嘴的气体质量等于离开喷嘴的气体质量。
2.2 能量守恒定律能量守恒定律指出，在封闭系统中，能量的总量不会发生变化。
对于一个喷嘴来说，进入喷嘴的气体具有一定的压力和温度，离开喷嘴后的气体也具有一定的压力和温度。
2.3 喷嘴结构音速喷嘴通常由进口截面较大、出口截面较小的喷嘴构成。
喷嘴中的流道会逐渐收缩，使得气体在流动过程中发生加速。
当气体通过喷嘴时，流道的收缩会导致气体速度增加，同时也会导致气体压力降低。
2.4 音速条件当气体通过喷嘴时，流道的收缩会导致气体速度逐渐增加。
当气体达到一定速度时，即等于声速时，被称为音速条件。
在音速条件下，气体无法继续加速，因为超过音速后就无法传播声音。
3. 流量计算基于以上原理，我们可以通过测量气体在喷嘴中通过的速度来计算流量。
具体步骤如下：3.1 测量压差在进口和出口之间安装压差传感器，用于测量进口和出口之间的压差。
压差是指进口处的气体压力与出口处的气体压力之差。
这个压差是由于喷嘴流道的收缩造成的。
3.2 测量温度还需要测量进口和出口处的气体温度。
温度对于气体流量的计算也是一个重要参数。
3.3 计算速度根据测得的压差和温度，可以使用理想气体状态方程计算出气体在喷嘴中通过时的速度。
理想气体状态方程为：P1 / T1 = P2 / T2其中，P1和T1分别表示进口处的压力和温度，P2和T2分别表示出口处的压力和温度。
3.4 计算流量通过测得的速度，再结合喷嘴截面积，就可以计算出喷嘴中通过的气体流量。
喷嘴测量流量的原理
喷嘴测量流量的原理喷嘴测量流量的原理流量是在单位时间内通过给定截面的液体或气体体积的量。
喷嘴是常用的测量流量的一种方法，它采用相关原理的设备，使流动过程的能量转变为易于测量的形式，以实现流量的测量。
本文将详细介绍喷嘴测量流量的原理。
一、喷嘴测量流量的定义喷嘴测量流量是利用喷嘴流量计的流量测量原理，根据流体的质量、动能和静能等基本物理量的变化规律，通过喷嘴断面的逐步收缩，从而使流体的速度增加，压力降低，经过喷嘴之后达到最大速度，形成负压区，最终使喷嘴后面的压力加大，从而测出流体的流量值。
二、喷嘴测量流量的原理喷嘴测量流量的原理是根据伯努利方程，在本质上测量流体的速度来计算流量。
伯努利方程是一个重要的流体动力学公式，它表示了在恒定流动情况下，两个不同位置的点之间的总机械能保持不变。
根据伯努利原理，压力和速度成反比例，即速度越大，压力越小，反之亦然。
喷嘴测量流量的原理基于质量守恒和能量守恒原理，将一定截面内的质量流量与通过该截面的体积流量相关联。
对于一定截面的运动流层，在恒定流动过程中，周围流体对运动流层的作用力保持一定大小，因而在恒定流动中流体速度和压力间存在固定的函数关系，即伯努利方程。
当使用喷嘴测量流量时，流体从一个大直径为D1的管子进入到一个小直径为D2的喷嘴中。
由于截面减小，流体速度将增加，从而通过守恒原理，压力会减小。
在喷嘴处，这个守恒原理是达到最大程度的，因为这个地方是最窄的地方，速度最大，管道中的压力最小。
然后，流体进入到一个大直径为D3的管子中，由于截面突然增加，它将减慢，速度将变慢，同时它也将进一步增加压力。
因此，可以测量出喷嘴前后两点的压力差，根据伯努利方程即可计算出流量值。
三、喷嘴测量流量的优缺点喷嘴测量流量的主要优点是具有高精度、大量程、广泛应用、实时输出等特点；缺点是需要较大的压降和较大的局部流动阻力，会导致能耗和压力损失严重，同时与流体密度变化较大时存在一定的误差。
四、喷嘴测量流量的应用领域喷嘴测量流量广泛应用于冶金、石油、化工、水利等领域。
喷嘴流量计工作原理
喷嘴流量计工作原理
喷嘴流量计是一种常用的流量测量仪表，它通过测量流体通过喷嘴时的压力差
来计算流体的流量。
其工作原理主要包括喷嘴结构、流体流动特性和测量原理三个方面。
首先，喷嘴流量计的结构包括进口、喷嘴喉部和出口三部分。
流体从进口进入
喷嘴，经过喷嘴喉部的收缩后加速流动，然后从出口排出。
喷嘴的结构设计使得流体在喷嘴内部产生压力差，从而实现流量的测量。
其次，流体在喷嘴内的流动特性对流量计的测量精度有重要影响。
流体在喷嘴
内的流动可以看作是一维稳态流动，根据质量守恒定律和动量守恒定律，可以推导出流体流过喷嘴时的压力差与流量之间的关系。
喷嘴流量计利用这一原理，通过测量喷嘴进口和出口处的压力差来计算流体的流量。
最后，喷嘴流量计的测量原理是基于伯努利方程和连续方程。
根据伯努利方程，流体在喷嘴内部流动时，流速增大，压力降低；而根据连续方程，流体在喷嘴内部流动时，流量与流速成正比。
因此，喷嘴流量计可以通过测量喷嘴进口和出口处的压力差，从而计算出流体的流量。
总的来说，喷嘴流量计通过利用喷嘴结构、流体流动特性和测量原理，实现了
对流体流量的准确测量。
它在工业生产中具有广泛的应用，可以用于液体、气体等各种介质的流量测量，具有测量精度高、结构简单、维护方便等优点，是一种非常有效的流量测量仪表。
音速喷嘴气体流量标准装置
音速喷嘴气体流量标准装置音速喷嘴气体流量标准装置是用于测量气体流量的一种重要装置，它可以帮助我们准确地获取气体流量的数据，对于工业生产、科研实验等领域具有非常重要的意义。
下面将介绍音速喷嘴气体流量标准装置的工作原理、结构组成、使用方法及注意事项。
首先，我们来了解一下音速喷嘴气体流量标准装置的工作原理。
音速喷嘴气体流量标准装置利用喷嘴的收缩和扩张来实现气体流速的测量。
当气体通过喷嘴的收缩段时，气体的流速会增加，压力会下降；而当气体通过喷嘴的扩张段时，气体的流速会减小，压力会上升。
通过测量喷嘴前后的压力差，就可以计算出气体的流速，从而得到气体流量的数据。
其次，我们来看一下音速喷嘴气体流量标准装置的结构组成。
一般来说，音速喷嘴气体流量标准装置由压力传感器、温度传感器、流量计、控制系统等部分组成。
压力传感器用于测量气体通过喷嘴前后的压力，温度传感器用于测量气体的温度，而流量计则用于计算气体的流量。
控制系统则对传感器获取的数据进行处理和分析，最终得出气体流量的结果。
接下来，我们来了解一下音速喷嘴气体流量标准装置的使用方法。
在使用音速喷嘴气体流量标准装置时，首先需要将装置正确安装在气体管道上，并连接好传感器和控制系统。
然后，根据实际情况设置好流量计的参数，并对控制系统进行调试。
在一切准备就绪后，打开气体流动，待稳定后即可开始测量气体流量。
测量结束后，及时关闭气体流动，并对装置进行清洁和保养，以确保下次使用时的准确性。
最后，我们来谈一下使用音速喷嘴气体流量标准装置时需要注意的事项。
首先，要注意装置的安装位置和安装方式，确保气体流动的稳定性和可靠性。
其次，在使用过程中要注意保持装置的清洁和完好，避免灰尘或杂质影响测量结果。
最后，使用人员要严格按照操作规程进行操作，避免因操作不当导致的误差。
总之，音速喷嘴气体流量标准装置在气体流量测量中具有重要的应用价值，正确的使用和维护对于保证测量结果的准确性至关重要。
希望本文介绍的内容能够对大家有所帮助，谢谢阅读。
计算微型音速喷管流量系数的几种计量学观点
a
(。 m ) 各
。
x
与 最小 值 d m
,
n
最 大偏 差 的 一 个
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由上述 原 因 引起 的 误 差
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-
( % )
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在实际 的 试 验条件 下 确定 的 其 他计量 特 性数 值
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的数
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a
,
1 3
据 可 以 证 明这 一 点 不 同 d 的测得 值 d
a 和相对误差
6
d =
列举 了一种 宝 石喷 管
在 试 验条 件下 按 式 (
a
, ,
) 计 算宝 石 喷管 流
2
.
测 得直 径值 的算 术 平 均 值
一
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=
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变成
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3 2 5 欠 10
.
一
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“
p
。
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两
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( 2 )
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3
宝石 喷管 的流 量 系 统 可 由式
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( 2 ) )
求出
( 3 )
:
3 7
;
的范 围 内
,
空气 到X=Βιβλιοθήκη 之 QM 侧 T 于,
一
x
10“
/ (s
z
.
s d“p
值 等于 1
基于音速喷嘴的便携式气体小流量装置设计
基于音速喷嘴的便携式气体小流量装置设计
陈鑫伟;谢代梁;徐志鹏;徐雅;曹松晓;刘铁军;黄震威
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2022(48)6
【摘要】音速喷嘴是广泛使用的一种传递标准,它具有重复性好、精度高、结构简单等特点,因此在气体流量测量领域中的地位非凡。
而微小喉径的喷嘴研究则随着微小气体流量测量的迅速发展得到越来越广泛的关注,因此在研究微小音速喷嘴的基础上,同时针对气体流量标准装置的便携性进行设计改进。
这套标准装置的主要组成部分是两个体积在10 cm×10 cm×10 cm之内的腔体容器,实验前需要对装置系统进行气密性检查,整体系统采用质量流量稳定、结构简单可靠的负压法,流出系数作为音速喷嘴研究的流动特性参数。
将实验结果与传统的经验公式进行比对,发现误差在5%以内,该标准装置可以正常投入使用。
该文研究对微小流量标准装置的研制具有一定的参考意义。
【总页数】6页(P111-116)
【作者】陈鑫伟;谢代梁;徐志鹏;徐雅;曹松晓;刘铁军;黄震威
【作者单位】中国计量大学;浙江省流量计量技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH814
【相关文献】
1.负压法音速喷嘴气体流量标准装置的设计
2.用音速喷嘴气体流量标准装置测量气体腰轮流量计仪表系数的不确定度评定
3.音速喷嘴气体流量标准装置小流量检测出现的问题及解决方案
4.音速喷嘴气体流量标准装置流量点精确控制研究
5.用音速喷嘴气体流量标准装置检定气体流量计
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边长１ ｍｍ喷嘴模拟结果
婆
Ｆｌｏｗ ｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ １ ｍｍ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｎｏｚｚｌｅｓ
喷嘴喉径，ｍｍ
图４
Ｆｉｇ．４
临界背压比的模拟计算结果
Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏｓ
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曩
图７
Ｆｉｇ．７
：
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由图３、４可以看出，喷嘴流出系数随着喉径 的增加显著增加。没有扩散段喷嘴的流出系数较 其他３种形式喷嘴的流出系数有一定的增加，增 幅随着喉径的增加而降低。除去喉径为微米量级 具有极短扩散段喷嘴流出系数稍高外，其他两种 情况下３种形状喷嘴流出系数的计算结果几乎完 全重合，且与经验公式的计算结果有很好的一致 性。Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ等［８］曾经对喉径为１３．７ ｍｍ没有 扩散段的喷嘴和仅有０．１ｄ长扩散段喷嘴的流出 系数进行过实验测量，发现前者流出系数较后者 有近０．１％的增加。此处的模拟计算结果与Ｉｓｈｉ—
ＩＳＯ
只有在背压比低于临界背压比时，通过喷嘴 的流量才能保持稳定，而流出系数则直接关系到 通过喷嘴的实际流量大小。因此，作为喷嘴应用过 程中两个最重要的参数，许多学者对临界背压比 和流出系数进行了大量的研究，提出了诸多经验 公式。近年来，微小喷嘴流量测量研究日渐深入， 发现很多与常规尺寸喷嘴不同的新现象和特性。 Ｌａｖａｎｔｅ等［２］对按照ＩＳＯ ９３００［３］要求加工了３．５ ℃扩散角，喉径０．１５～２．０ ｍｍ的喷嘴，系统地 实验测量了临界背压比。结果表明，喉径为０．１５ ｍｌＴｌ的喷嘴，临界背压比只有０．４６，小于理想气体
．ｃｄ＝罴＝船０Ａ
ｑｍ，ｆ
㈤
ＩＬ
ｐ
式中，ｑ。为通过喷嘴的实际最大流量。 喷嘴形状是实现并保持临界流的关键，国际 标准ＩＳＯ ９３００［１３对其有明确的规定，如图１所示， 人口ＡＢ段是一段圆弧，ＴＳ为直径最小的喉部 处，扩散ＢＣ段为一段直线，两者在Ｂ点相切，０为 扩散角，其大小为２．５。≤曰≤６．０。。
收藕日期：２００８—０５—２６； 修回日期：２００８—０６—１３． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０７０６０４７）． 作者简介：李春辉（１９一），女，副研究员，主要从事流量计量、微尺度传递现象研究．Ｅ—ｍｉａｌ；ｌｉｃｈ＠ｎｉｍ．ｔｉｃ．ｃｎ
万 方数据
第３期
李春辉等：微小流量测量音速喷嘴的流动特性
背压比
边长ｌ ｃｍ喷嘴模拟结果
ｆｏｒ １ ｃｍ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｎｏｚｚｌｅｓ
Ｆｌｏｗ ｒａｔｉｏｎ
图５表明，对边长１００ ｐｔｍ方形截面的喷嘴， 流量呈现随着背压比的增加而显著增加的趋势， 与没有扩散段时圆形截面喷嘴的流出特性完全不 同，此时的喷嘴没有呈现出临界流喷嘴的特性。 对其他具有极短及中等长度扩散段喷嘴而言，背 压比达到０．２时，流量达到最大，进一步降低背压 比流量保持不变，即临界背压比为０．２左右，且临
能是小范围能达到当地声速，而不是圆形截面喷嘴喉部界面大部分区域能达到声速，从而使其流出系数较后 者明显减小。
关键词：音速喷嘴；流出系数；临界背压比；数值模拟 中图分类号：ＴＨ８１４
文献标识码：Ａ０引来自言真实过程的非等熵及流动的多维性，流过喷嘴的 实际流量和理想流量并不相等，差异由流出系数
Ｃｄ表示：
由于音速喷嘴（简称为喷嘴）良好的稳定性， 将其作为流动控制仪表和标准装置中的标准流量 计，用以对其他类型的仪表进行量值传递。随着化 工、医药、航空航天等领域内微小气体流量测量精 度要求的提高，喷嘴正以其独特的优越性能受到 越来越多的关注并得到广泛的实际应用。 空气动力学理论表明，保持喷嘴上游的滞止 压力不变，不断降低喷嘴的出口背压，开始时喷嘴 流量不断增加，但当喷嘴出口背压降到某一值时， 通过喷嘴的流量将达到最大，进一步降低出口背 压将不能使喷嘴的流量增加。将通过喷嘴的流量 刚刚达到最大时，喷嘴出口背压称为临界背压，它 与滞止压力之比称为临界背压比夕。对于理想气 体，设其一维、等熵流过喷嘴，最大流量ｑ。，；为
２
３００就可认为转变为湍流。但根据已有结果【６］，
万 方数据
热
科
学
与
技
术
第７卷
喷嘴内喉部雷诺数达到１．１时流动才转变为湍 流，故本文采用层流模型。
１．３
ｂａｓｈｉ等［８３的实验结果趋势完全一样。 与流出系数的结果明显不同，不同扩散段长 度喷嘴的临界背压比有随着扩散段长度增加而增 加的趋势。模拟结果显示，喉径１１２．８４弘ｍ且满 足ＩＳ０ ９３００规定设计背压比为０．８５的喷嘴，临 界背压比仅能达到０．５，与Ｌａｖａｎｔｅ等［２３对喉径
ｑ。．ｉ＝Ａ。Ｃ。—＝．Ｐ０ ￣／尺’Ｒ
＾
（１）
式中：Ａ。为喷嘴的喉部面积，Ｃ。为临界流函数， ｐ。为喷嘴前气体的滞止压力，Ｌ为喷嘴前气体滞 止温度，Ｒ为气体常数。考虑真实气体的黏度，及
Ｆｉｇ．１
图１
ＩＳＯ
９３００规定的喷嘴轮廓
ｎｏｚｚｌｅ ｉｎ ＩＳＯ
Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ９３００
ｇ 蛹 避
籁
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背压比
图５边长１００ Ｉｚｍ喷嘴模拟结果
Ｆｉｇ．５ Ｆｌｏｗ ｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ １００／．ｔｍ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｎｏｚｚｌｅｓ
喷嘴喉径，ｍｍ
图３
Ｆｉｇ．３
流出系数的模拟计算结果
Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ
：
翥：
：
背压比
筮 硝
钮
熊
图６
２所示。
ｃｍ）等３种情况的模拟计算。 ＭＥＭＳ方法加工的喷嘴包括边长分别为１００
ｐｍ、１ ｍｉｌｌ、１
ｃｍ方形截面时没有扩散段、极短扩
散段（与圆形截面极短扩散段时的扩散段长度相 同）等具体情况进行模拟计算。为考察扩散段长 度影响，还对边长ｉ００ ｐｍ时扩散段长１００／．ｔｍ的 情况进行模拟。
１．２
模拟计算方法 数值模拟采用ＦＬＥＮＴ ６．１软件，圆形截面喷
ｍｍ、１ ｃｍ，在入口段长度为１００弘ｍ、１ ｉｎｍ、１ ｃｍ
时，没有扩散段的方形截面喷嘴依然没有出现临 界流的特性，流量随着背压比的降低不断增加， 对具有极短扩散段的喷嘴，临界背压比的大小几 乎保持在０．２。 此外，不同尺寸方形截面喷嘴的流出系数随 着喷嘴边长的增加呈现微小的增加，但增加的幅 度没有圆形截面时显著。
验证性经验公式 基于喷嘴的喉部雷诺数大小，采用Ｗｅｎｄｔ
等［７３提出的１．０×１０３＜Ｒｅｄ＜３．２×１０７经验公 式验证模拟结果，即
Ｃｄ一０．９９８
２一氅丝
√＆ａ
（３）
１５％ｍ喷嘴进行的临界背压比的实验测量结果
十分接近，说明微小喷嘴的流出系数会受到尺度 的显著影响。
２．２方形截面喷嘴
２
２．１
结果分析
２．３对比与原因分析
时的喷嘴，设计为由１０段长度为１０ ｐｍ、０．１
ｍｍ、０．１
ｃｍ方形截面的切片组合而成。３种不
同尺寸下，异型方形截面喷嘴的流量随不同背压 比变化的模拟计算结果如图８所示。此时喷嘴已 呈现出临界流喷嘴的特性，不同尺寸喷嘴的临界 背压比基本保持在０．２左右；流出系数较相同流 通面积圆形截面喷嘴明显降低，这与Ｈｕ等【５３的 实验结果完全一致。
嘴的流场可简化为二维轴对称体，但ＭＥＭＳ加工 的正方形截面喷嘴需进行三维计算。考虑到以上 两种几何形状喷嘴的对称性，圆形截面喷嘴取一 半进行二维模拟计算，网格为四边形，数量为
７ ０４０～２０
０００。ＭＥＭＳ方法加工方形截面喷嘴
取１／４进行三维模拟计算，网格为六边形，数量为
图２
Ｆｉｇ．２
ＭＥＭＳ方法加工喷嘴的轮廓
别为１１２．８４ ｔＪｍ、１．１２８
４ ｍｍ和１．１２８ ４
ｃｍ，扩散
角为４．０。，设计临界背压比０．８５的３种喉径喷嘴 的流场进行模拟计算，同时还包括此３种喉径下 没有扩散段、非常短扩散段（扩散段长度仅到达如 图１所示的ＩＳＯ ９３００标准喷嘴扩散段Ｂ处）、中等 长度扩散段（３种情况下扩散段长度较满足ＩＳＯ ９３００标准喷嘴扩散段长度短１００弘ｍ、０．１
万 方数据
第３期
李春辉等：微小流量测量音速喷嘴的流动特性
２３９
界背压比几乎与扩散段长度无关。因此，其他喷 嘴流场计算时，未考虑扩散段长度的影响。 从图６和７看出，即使边长为ｌ
ｍｍ、１ ｃｍ
实验结果间差异的形成原因进行分析，考虑到 ＭＥＭＳ加工过程中喷嘴的加工形状与理想形状 的差异，将扩散角１２５．２６。，边长分别为１００肛ｍ、ｉ
以上模拟结果表明，圆形截面喷嘴流出系数、 临界背压比的模拟计算结果与经验公式及已有实 验结果有很好的一致性。但方形截面喷嘴的模拟 计算结果和已有实验结果间存在一定的差异，特 别是对于没有扩散段的方形截面的喷嘴，模拟计 算结果显示此结构的喷嘴无法实现临界流；对于 边长１００灶ｍ的具有极短扩散段方形截面的喷 嘴，其流出系数达到了０．９２６ ６，较相同流通面积 下圆形截面喷嘴的０．９１２ ８要大，这与Ｈｕ等ＩＳ］ 的实验结果明显不同。 模拟计算过程中假设喷嘴的表面轮廓是光滑 的，但在采用ＭＥＭＳ方法加工喷嘴的过程中，内 部轮廓是通过ＫＯＨ等腐蚀性溶液对硅表面不断 腐蚀而成，加工形表面轮廓并没有模拟计算中所 涉及喷嘴的光滑。因此，为了对模拟计算结果与
０．１ ｍｍ、
时，进行了流出系数实验测量，整理出雷诺数与流 出系数之间的关联式。结果表明，尽管实验用喷嘴 的雷诺数超过了ｌＳ０ ９３００［３］经验公式的适用范 围，但实验结果与使用ＩＳＯ ９３００［３］经验公式预测 结果间的偏差不超过±０．３７％。 传统机械加工在微小喷嘴加工方面存在着极 大的困难，许多学者试图将ＭＥＭＳ、激光等一些 新兴的加工方法引入到喷嘴加工领域。但ＭＥＭＳ 方法很难加工回转体．只能加工平面，也就是说加 工出来的喷管，截面是正方形的，而非圆形。 ＭＥＭＳ方法已加工出有、无扩散段两种形状的喷 嘴，人口段及扩散段的扩散角均为１２５．２６。，如图