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摘要：氣體介質(zhì)因?yàn)槠涔逃械奶匦浴�—可壓縮性，在閥門(mén)的流動(dòng)中不同于液體。比如在節(jié)流過(guò)程中，因?yàn)樵诠?jié)流孔口處強(qiáng)烈的擾動(dòng)和渦流，導(dǎo)致能量分布的不均，容易產(chǎn)生噪聲。本文主要討論氣體在流經(jīng)閥門(mén)設(shè)備時(shí)參數(shù)的變化與流道截面積的關(guān)系，以及流動(dòng)過(guò)程中氣體能量的傳遞、轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：可壓縮性；能量轉(zhuǎn)換；噪音；控制閥

1 緒論

   工程中，常見(jiàn)的氣體流動(dòng)都是穩(wěn)定流動(dòng)或接近穩(wěn)定的流動(dòng)。同時(shí)任何一個(gè)截面上任一點(diǎn)的流速、壓力、溫度參數(shù)也均不相同。且工質(zhì)在流動(dòng)中可能與外界交換熱量。上述過(guò)程是及其復(fù)雜的，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的研究，考慮到工程中氣體快速地通過(guò)閥門(mén)，認(rèn)為來(lái)不及與閥門(mén)進(jìn)行熱交換。同時(shí)取各截面某參數(shù)的平均值作為該截面上各點(diǎn)參數(shù)的值，因此把氣體工質(zhì)的流動(dòng)看作不可逆的一維絕熱穩(wěn)定流動(dòng)。

2 能量守恒方程

由熱力學(xué)定律，在開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)的能量微分表達(dá)式為：

 

忽略重力的作用，也不考慮對(duì)閥門(mén)做功。同時(shí)，考慮到流體和閥門(mén)的摩擦作用、流動(dòng)中流體克服摩擦力做的功轉(zhuǎn)化為熱量，而這部分熱量又重新被加入到流動(dòng)的流體中。上式簡(jiǎn)化為：

 

很顯然，克服摩擦消耗的功δw摩擦和由它轉(zhuǎn)換的熱量δq吸是相等的，而δq為與外界交換的熱量，對(duì)于絕熱流動(dòng)，該值為0，即有

 

對(duì)上式進(jìn)行積分，因此，沿流動(dòng)方向任意截面應(yīng)滿(mǎn)足

 

3 截面參數(shù)變化

根據(jù)參考文獻(xiàn)1，可以得出絕熱等熵流動(dòng)中參數(shù)變化的相對(duì)關(guān)系。見(jiàn)以下公式：

 

 

 

其中：v為比體積

c為流速

A為截面積

к為比熱比系數(shù)

    雖然上述公式是由絕熱等熵流動(dòng)推出，但對(duì)于絕熱流動(dòng)的截面參數(shù)變化分析具有指導(dǎo)意義。由以上三個(gè)公式可以看出，參數(shù)的變化與氣體的馬赫數(shù)有關(guān)。當(dāng)氣體介質(zhì)進(jìn)入閥門(mén)時(shí)，處于亞聲速流動(dòng)。在通過(guò)節(jié)流口處(見(jiàn)圖1)，因?yàn)槊娣e減小，流速會(huì)增加，壓力降低，比體積增加，介質(zhì)膨脹。通過(guò)節(jié)流口后，流通面積變大，流速降低，壓力恢復(fù)，比體積減小，介質(zhì)壓縮。但因?yàn)樵陂y門(mén)節(jié)流口處的摩擦導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)換，壓力已不可能恢復(fù)到閥前壓力。流出閥門(mén)后，相比較閥前狀況，閥后壓力減小，流速有一定增加，介質(zhì)密度有一定減小。

 

圖1

   如果在節(jié)流口處的面積減小得足夠小，流速有可能增加到聲速。此時(shí)，整個(gè)閥門(mén)的質(zhì)量流量達(dá)到大值。若此時(shí)進(jìn)一步增加面積，則氣體膨脹至超音速，壓力進(jìn)一步降低。有可能產(chǎn)生較大的噪音。但質(zhì)量流量不再增加。這種情形即是氣體選型時(shí)碰到的阻塞流情形。對(duì)于多級(jí)降壓的閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)，尤其要注意這種流速增加的狀況。因?yàn)槎嗉?jí)降壓內(nèi)件通常被設(shè)計(jì)成如下的形式(見(jiàn)圖2)。通常外面的套筒面積較大，然后減小，到里層套筒的面積小。這種從外到里流的設(shè)計(jì)方式對(duì)于液體工況來(lái)講效果很好，它有效地加大了阻尼，降低了壓差。但是對(duì)于氣體工況來(lái)講，效果卻恰恰相反。由于節(jié)流面積逐級(jí)不斷收縮，氣體不斷加速，壓力不斷降低，密度持續(xù)減小，介質(zhì)不斷膨脹，有可能被膨脹至音速甚至超音速。此時(shí)，會(huì)引起很強(qiáng)的振動(dòng)。因?yàn)檎駝?dòng)的強(qiáng)弱是和流速的平方成正比的。輕者引起噪音很大，重者甚至能破壞管道。因此對(duì)于多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)來(lái)講，氣體流向應(yīng)當(dāng)從里往外流。先讓氣體節(jié)流降壓，然后逐漸適度壓縮，以控制內(nèi)部的流速。防止振動(dòng)的影響(見(jiàn)圖2)。

 

圖2

根據(jù)參考文獻(xiàn)3，對(duì)一維絕熱等熵流動(dòng)，有如下公式成立：

 

其中：pcr為流速達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀贂r(shí)的介質(zhì)壓力

      p0為當(dāng)介質(zhì)速度減為0時(shí)的介質(zhì)壓力，稱(chēng)為滯止壓力，也成為總壓力，是一個(gè)理論值

      vcr為臨界壓力比

      к為比熱比系數(shù)

上式表明了當(dāng)流速達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀贂r(shí)，即是質(zhì)量流量達(dá)到大時(shí)，也就是出現(xiàn)阻塞流的時(shí)候的壓力比值，這個(gè)比值只與工質(zhì)性質(zhì)有關(guān)�，F(xiàn)列舉幾個(gè)常見(jiàn)的數(shù)值，見(jiàn)表1：

氣體	雙原子氣體	過(guò)熱蒸汽	干飽和蒸汽
к	1.4	1.3	1.135
vcr	0.528	0.546	0.577

表1

從上表可以看出，氣體性質(zhì)雖然不同，但臨界壓力均約等于0.5�？紤]到工程中誤差的允許范圍，這就是氣體工況選型中的判定阻塞流的認(rèn)定條件：閥后壓力/閥前壓力≥0.5時(shí)，認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)阻塞流。

4 節(jié)流后溫度的變化

    氣體通過(guò)閥門(mén)節(jié)流過(guò)程中的溫度變化比較復(fù)雜，節(jié)流后溫度可能會(huì)降低，可能會(huì)升高，也可能不變。要判定節(jié)流后溫度的變化情況，需要判定介質(zhì)的焦耳—湯姆遜系數(shù)μJ，該系數(shù)是表征在焓值不變的情況下溫度對(duì)壓力的微分關(guān)系。由參考文獻(xiàn)2提供的曲線圖可知(圖3)：

 

圖3

在轉(zhuǎn)回曲線和溫度軸內(nèi)部包含的區(qū)域，μJ>0，稱(chēng)為冷效應(yīng)區(qū)。閥前溫度處于該區(qū)域內(nèi)的氣體介質(zhì)，節(jié)流后溫度會(huì)降低。且壓差越大，溫度下降得越低；而在轉(zhuǎn)回曲線和溫度軸外部包含的區(qū)域，μJ<0，稱(chēng)為熱效應(yīng)區(qū)。閥前溫度處于該區(qū)域內(nèi)的氣體介質(zhì)，節(jié)流后溫度會(huì)升高；若閥前溫度剛好處于轉(zhuǎn)回曲線上，則通過(guò)閥門(mén)節(jié)流后溫度不變。實(shí)際上大多數(shù)的氣體經(jīng)節(jié)流后溫度都會(huì)降低，只有少數(shù)氣體，如H2和He在常溫下節(jié)流后的溫度會(huì)升高。例如天然氣的液化就是利用該特性來(lái)進(jìn)行的。

5 總結(jié)

本文僅對(duì)工程中氣體通過(guò)閥門(mén)的一些流動(dòng)特性及工程選型的一些注意事項(xiàng)進(jìn)行了定性分析。由于介質(zhì)通過(guò)閥門(mén)時(shí)高度摩擦，強(qiáng)烈的擾動(dòng)以及大量的渦流，處于度不平衡狀態(tài)，因此無(wú)法進(jìn)行很具體的計(jì)算分析，只能借助CFD(計(jì)算流體力學(xué))軟件來(lái)進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際工況經(jīng)驗(yàn)聯(lián)合判斷。