流量測量臨界流文丘里噴嘴的進展

1、流量測量臨界流文丘里噴嘴的進展孫淮清（軌慶工業(yè)自動化儀表研究所，垂慶400708）摘要|簡介頒布國際標(biāo)準(zhǔn)1s09300臨界流文丘里噴嘴測量氣體流量(199()年)，十余年來國際上對該流量計的研究悄 況，主要在以下兒方而有顯著的進展：雷諾數(shù)使用范圍的拓寬；流量方程中系數(shù)的研究；小型音速噴嘴的開發(fā)應(yīng) 用；小型音速噴嘴組合方法的研究；絕対測量法的探索等。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織正在為修訂鳥qs病進行準(zhǔn)備工作。矢鍵詞臨界流文丘里噴嘴；流出系數(shù)；臨界流系數(shù)q中圖分類號tb93 文獻標(biāo)識碼b文章編號掙*002坯3 ( 26&衣誡/湖顯()3progress of critical flow venturi

2、nozzle in flow measurementstjniiai2qi ng(chongqing histitute of industrial itomatioii & instrumentation, chongqing 4(x)7()8 , china)abstract: international standard iso 9300 ugas flow measured by critical how venturi nozzlen was issued in 1990. the article introduces the foreign research progres

3、s in this field in over ten years past bricfly. the main achievements include the following aspects : widening of useftil ninge for reynolds number : research of coefficient in the flow equation ; develepment and application of smael scale sound velocity spray ik)zzle; research of combination method

4、 for srnai12scale sound velocity spray nozzle, exploration of the absolute measurement methcxl and so on. international standard organization is in prepanition for revising tso 9300key words : critical flow venturi nozzle; discharge coefficient; critical flow coefficient1990年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（iso）頒布國際標(biāo)準(zhǔn) is093

5、00臨界流文丘里噴嘴測量氣體流量，它奠定 了臨界流文丘里噴嘴（亦稱音速文丘里噴嘴或音速噴 嘴）作為流量測塑檢測件的歷史地位,在標(biāo)準(zhǔn)中兩種 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件圓環(huán)喉部文丘里噴嘴和圓筒喉部文丘里噴 嘴得到了認可。節(jié)流件結(jié)構(gòu)形狀的標(biāo)準(zhǔn)化意義重大, 20世紀(jì)30年代標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置（孔板、噴嘴和文丘里 管）結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，它翻開了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置研究開發(fā)新 的一頁，從此對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的試驗研究國際化了， 目前其它流量計的試驗研究都只限于個別廠家或科研 群體進行，因此，兩者的試驗研究的廣度和深度不可 同口而語。臨界流文丘里噴嘴的標(biāo)準(zhǔn)化促使其研究試 驗向縱深方向發(fā)展，十余年來歷屆流量測量國際學(xué)術(shù) 會議它皆是主題之一，發(fā)表的文

6、獻不下數(shù)十篇。在實 際應(yīng)用中臨界流文丘里噴嘴作為氣體流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)已 得到普遍采用，全世界著名氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置普遍釆 用它作為流量傳遞標(biāo)進，在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的國際 標(biāo)準(zhǔn)裝置比對（它是統(tǒng)一流量量值的一種通用方法） 中是最常用的一類傳遞標(biāo)準(zhǔn)組件。1音速文丘里的突出特點（1）流出系數(shù)儀表的工作理論基礎(chǔ)較清楚，可用一個半經(jīng)驗公 式表示，在原級標(biāo)準(zhǔn)上校準(zhǔn)得到的流出系數(shù)可推廣到 不同操作條件下，而不喪失計量精度。（2）易于復(fù)制和檢驗儀表無可動部件，堅固耐用，結(jié)構(gòu)輕便，易于復(fù) 制與檢驗，屬半永久性的，作為流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)，這點 很重要。（3）儀表重復(fù)性好（4）儀表的測塑特性質(zhì)量流量與入口滯止壓力（測量信號）為線

7、性關(guān) 系，測量范圉度寬，其測量信號在流速穩(wěn)定處測量 （而亞音速差壓流量計是在流速劇烈變化處測量），因 此其檢測精度較高。（5）儀表的測量范圍（壓力、溫度和流量）幾乎 不受限制（6）絕對測量法可采取內(nèi)部流場測量法（即節(jié)流件的流通管道內(nèi) 的流體運動要素）用氣體動力學(xué)方法確定其流量值， 它是一種絕對測量法（無須實流校準(zhǔn)）。2is09300頒布以來的顯著進展211雷諾數(shù)使用范圍的拓寬1s09300只適用于中、高雷諾數(shù)區(qū)域（re（ n 105）,隨看天然氣工業(yè)及其它氣體流量測量需要的增i 收稿日期 | 2（x）3 - 05 - 09作者簡介孫淮清（1931），福建泉州人，教授級高級工程師，畢業(yè)丁哈爾濱工

8、業(yè)大學(xué)，研究生，從事計量儀表的開發(fā)和研 究工作。4小型音速噴嘴的開發(fā)應(yīng)用小型音速噴嘴是指噴嘴喉徑在幾毫米以下的，其 雷諾數(shù)范圍一般為低雷諾數(shù)區(qū)域（屜dwl（）4）,當(dāng)然 它亦可以在高雷諾數(shù)區(qū)域內(nèi)工作。is09300只適用于 屮、高雷諾數(shù)區(qū)域（re哎之腳,因此低雷諾數(shù)區(qū)域 應(yīng)是is09300今丿冃修i丁厭窶瘵董考慮的一個問題。由 疋世界旦証入并隸鍛茲浜蕪氣的普遍應(yīng)用特別是 -城鼠甬唉東霞淤曲屜彳氐舊諾數(shù)區(qū)域用量巨大，它們 護©%"（禹蔬薫量翻藐一與傳遞亟需解決，作為此領(lǐng)域的最 氐謠舘童的氣體流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)應(yīng)用己成為一個熱 微流量的測臺加，低雷諾數(shù)區(qū)域（的應(yīng)用口益增大，拓

9、寬雷諾數(shù)使用范圍已提上議事日程，亦是今后 is09300修訂的一個重要方面。212流量方程中的兩個系數(shù)流出系數(shù)和臨界流系數(shù)的試驗研究正在深入進 行，已取得實質(zhì)性的進展。213小型音速噴嘴的開發(fā)應(yīng)用小微流量測量的需要促使國際上集中力量在此方 面進行大量的工作，它與雷諾數(shù)范圍的拓寬是聯(lián)系在 一起的。由小型音速噴嘴組成的氣體流量校驗裝置已 成為最受歡迎的一類校驗裝置品種。214小型音速噴嘴組合方法的研究小型音速噴嘴本身僅適用于小、 但是如果把多只小型音速噴嘴組合起來，卻可以用于 中、大流量的測量。這樣的安排有很大優(yōu)點，因為校 準(zhǔn)單只音速噴嘴的原級標(biāo)準(zhǔn)可以是小型的，它降低了 原級標(biāo)準(zhǔn)的建造費和運行費，

10、而且組合可以定點使 用，它極大地提高了計量準(zhǔn)確度和范圍度。215絕對測量法的探索一般音速文丘里噴嘴的流出系數(shù)近似為1 ,它說 明理論流量與實際流量是很接近的。在較大喉徑下用 氣體動力學(xué)方法確定流量值已有成熟的理論基礎(chǔ)，對 于高壓氣體大流量，建造氣體流量校驗裝置極昂貴， 如果音速文丘里噴嘴無須實流校準(zhǔn)作為標(biāo)準(zhǔn)表使用， 則可以解決此難題。流量計的絕對測量法一直是流量 工作者夢寐以求的理想。3臨界流系數(shù)cr的研究在臨界流文丘里噴嘴的流量方程中臨界流系數(shù) g是表征流體介質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的一個系數(shù)，它與氣 體狀態(tài)方程及等爛指數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)聯(lián)系在一起，對 于單純氣體（如n2, 02） g有比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是

11、対于天然氣混合物g的確定比較困難，其 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度難以提高，正是此系數(shù)的準(zhǔn)確度低限制了 總體測量精度的提高。is09300采用johnson法計算 c/直，它是20世紀(jì)70年代提出的，它采用比較陳 ih的氣體狀態(tài)方程（bwr方程1940）,其不確定度較 大，適用的天然氣組分、壓力和溫度范圍都不能滿足 天然氣現(xiàn)場的實際需要。口那以后，新的氣體狀態(tài)方 程不斷出現(xiàn)，cr的計算基礎(chǔ)有了改進。1990年wc2 bery提出新的cr計算式,它采用aga n08 （1985年） 的氣體狀態(tài)方程，新計算式無論在天然氣組分適用范 圍及工作壓力（18mpa）都有擴展，計算的不確定度 亦降低些（約012 %） o 2

12、000年stewart 乂提出新的計 算式，它采用更新些的氣體狀態(tài)方程（aga n08 工業(yè)計量2003年第6期1992）適用的使用范圍亦擴展了，并且計算準(zhǔn)確度有 較大提高。點。眾所周知，臨界流噴嘴首先是在航空、航天領(lǐng)域 發(fā)展起來的，后來在天然氣流量計量屮亦是先在輸氣 干線高壓大流量下應(yīng)用，它們的喉徑都比較大（幾毫 米到幾十毫米），咅速噴嘴向小微流量方血拓寬應(yīng)該 是順理成章的事，尤其是它確有巨大的市場需求，因 此國際上在此領(lǐng)域開發(fā)投入大力量亦就不足為怪了。 并且由多只小型音速噴嘴組合亦可用于中、大流量測 量，這又是一大特點。但是喉徑的縮小及工作于層流 以及過渡區(qū)等英技術(shù)特性呈現(xiàn)出不同的特點，其

13、流動 機理與大喉徑很不一樣，is09300的內(nèi)容不再適用，以 下是正在探討的一些問題。411臨界流阻塞現(xiàn)象的研究小型音速噴嘴工作于層流、過渡區(qū)和湍流等不同 流動形態(tài)的區(qū)域，并且由于喉徑小，流道內(nèi)的附面層 厚度占據(jù)的喉部流通面積比例大為增加，由此其流道 內(nèi)的流動狀況十分復(fù)雜，is09300中的一些規(guī)范已不 再適用。例如，按照is09300，噴嘴的最大背壓比僅 與擴壓段出口面積和喉部面積的比值有關(guān)，而小型音 速噴嘴的背壓比卻與雷諾數(shù)有關(guān)，并且在re（f= 104 時有一個最小值,在re,= 10時有一個最大值。當(dāng) %” w102時，喉部有效流通面積低于60 % ,其余為 附面層所占據(jù)，這樣下游圧力

14、易經(jīng)過厚的附面層傳遞 到上游，破壞了阻塞流的保持。412流出系數(shù)的研究流出系數(shù)的不確定度由3部分組成：校驗裝置、 上游壓力和溫度以及喉徑的不確定度，其中以喉徑的 測量不確定度占的份量最大。對于ol linin喉徑，即 使測量不確定度為lmm,它的相對不確定度亦達 1 %,因此流出系數(shù)的不確定度難以低于2%,由于 小型音速噴嘴的背壓比與雷諾數(shù)有關(guān)，各種雷諾數(shù)時 背壓比不一樣，隨著雷諾數(shù)的降低，背壓比下降，使 1994-2016 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/7音速噴嘴傳

15、遞標(biāo)進組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足音速噴 嘴相互之間及音速噴嘴與管壁不會相互干擾的原則， 亦即式(1)成立的條件是流出系數(shù)線性疊加必須保 持每只音速噴嘴的獨立性。is09300只規(guī)定單只音速 噴嘴的工作條件，這種組合件必須在實流校驗裝置上 證明式(1)的正確性。5絕對測量法的探索音速文丘里啖嘴廠祁b原級標(biāo)準(zhǔn)上校準(zhǔn)求得流出 系數(shù)，長m以來離科趣菲啥躱索用理論計算式求 廠其羸j菇苴可英會按潅的莎用，并且對于一些特殊的,如果能用理論方法計算將是解決問題的 最佳方法。冃前理論計算式求得的數(shù)值其準(zhǔn)確度己接 近實際校準(zhǔn)值，說明音速噴嘴的絕對測暈法是大有希 望的。在絕對測量法實施屮音速文丘里噴嘴的高準(zhǔn)確 度加工及檢

16、驗是關(guān)鍵條件，目前采用高精確加工機床噴嘴上游為壓力供氣，則可直接排入大氣。被校流量計的流量方程如下：加 bk di ij0q = c3 %( t c a)/(r/ m) t =c3 poce j(r/ m) to()如brdb =za以1red, =式中./ 、q手別為音速噴嘴組合件和第i只音速 zmb mi噴嘴的質(zhì)量流量；c 3為臨界流函數(shù)；po、7；分別為 上游滯止壓力和滯止溫度；g為第/只音速噴嘴的 流出系數(shù);ai為第i只咅速噴嘴的喉部面積;r、m 分別為介質(zhì)氣體常數(shù)和分子量；de為咅速噴嘴組合 件的當(dāng)量喉徑，旳為介質(zhì)的動力粘度。睪 cd a ic/b =p式中：cdb為音速噴嘴組合齊的

17、流出系數(shù)；畑b為音 速噴嘴組合件的雷諾數(shù)；r血為第/只音速噴嘴的雷 諾數(shù)。在校驗流量計時依據(jù)流量的大小開啟不同喉徑的 音速噴嘴與之相連閥門進行定點校驗，可以顯著提高 計量準(zhǔn)確度，全部音速噴嘴相連的閥門開啟可得到最 大流量，這就是小型音速噴嘴組合件校驗中、大流量及量具其準(zhǔn)確度已可達1 um的數(shù)量級。以下列舉一個理論計算式(hallgeropp式):式屮;q = 2r/d; d為喉徑；r為入口曲面半徑;為等爛指數(shù)；屜“為喉徑雷諾數(shù)。|編輯：鄧茂煥|作*: 冷流出系數(shù)不穩(wěn)定，喉徑愈小此問題愈嚴(yán)重。例如喉徑為011mm吋，當(dāng)雷諾數(shù)為40吋背壓比下降到0105。在幾個雷諾數(shù)吋，當(dāng)擴壓段里出現(xiàn)激波與附面層相互作用的現(xiàn)象吋，它使流出系數(shù)不穩(wěn)定，即出現(xiàn)所謂波動型流出系數(shù)。對于另一種結(jié)構(gòu)形狀如象限噴嘴研究表明，因為它沒