气体流量标准装置喷嘴设计及流出系数修正

1、瞄鎏圈囝气体流量标准装置喷嘴设计及流出系数修正木单纯利王瑞岭（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司产品检验检测中心，沈阳）摘要扼要阐述了临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置的基本工作原理，详细介绍了系列临界流文丘里喷嘴喉部育径设计方法；提出了喷嘴流出系数修正的必要性和计算公式。关键词临界流文丘罩喷嘴；气体流量标准装置；喷嘴喉部直径设计；流出系数修正：引言黎明航发集团为满足企业能源计量需求，研制完成一套正压法音速喷嘴气体流量标准装置，标准装置核心部分采用临界流文丘里喷嘴组。吼。音速文丘里喷嘴工作原理临界点如喷嘴（管）是个孔径逐渐缩小的流道，孔径最小的流道部分称为喷嘴的喉部。不带扩张管的喷嘴称之为

2、音速喷嘴或临界流喷嘴，形状如图（）所示；带扩张管的喷嘴称之为音速文丘里喷嘴或临界流文丘里喷嘴，形状如图（）所示。音速喷嘴和临界流文丘里喷嘴下作原理是相同的。图中：。为上游压力，为下游压力。既图音速喷嘴流量、节流压力比关系图詈砌等（）式中：。为通过临界流喷嘴的质量流量；为喷嘴喉部直径；为喷嘴流出系数；。为临界流函数；为喷嘴前气体的滞止压力；为喷嘴前气体的滞止温度；为通用气体常数，其数值为（）；为空气千摩质量，其数值为（）。每一种口径的喷嘴在达到临界的条件不变时，通过喷嘴的质量流量也不变，这个特性成为校准流量计的理论基础。：上：二，（）音速喷嘴一（）音速文丘里喷嘴图音速（文丘里）喷嘴截面形状图当气

3、体处于亚音速时，喷嘴（管）喉部的气流将随节流压力比减小而增大。当。小到一定值时，喉部流速达到最大流速一音速，即达到所谓的临界流。此时，若。不变，再减小。，流速将保持不变，即不受下游压力的影响。在临界状态下，通过喷嘴的流量如图所示。这寸，通过喷嘴的质量流量。只与喷嘴入口处的滞止压力和温度有关，而不受下游状态变化的影响。质量流量公式为系列音速文丘里喷嘴设计音速文丘里喷嘴在校准装置中作为流量传递标准，应选用没有凹坑、气孔、不夹有杂质、有稳定性热膨胀特性的不锈钢材加工。音速文丘里喷嘴由标准装置和扩散段组成，之间衔接过渡要平滑，无毛刺。经过实流标定，音速文丘里喷嘴气体流量准确度应优于。在满足压力、温度的

4、条件下，可校准的流量范围为基金项目：国防军工计量“十五”科研项日（）±量蕉莶！螋：万方数据，累计流量为多个喷嘴的组合值。辅助计算折合质量流量计算查阅流量测量节流装置手册，在标准状态（。，）下，空气的密度。最小喉径计算按本装置表压力（绝对压力）为下限设计，滞止温度取（），最小喉径对应的气体流量为（质量流量为）。辅助计算数据根据式（）一（）的计算结果，可确定最小喉径本气体流量标准装置的流量州范围为，则相对应的质量流量为偏：紫（对应设计条件下的各参数为。；。；×肌磊）肛×。蔽。）（）计算音速喷嘴喉部。条件下的尺寸屯临界流函数计算查阅表，在本标准装置工作温度和工作压力范围

5、内的数值表如表。表温度（）绝对压力（）如（，（撬厝将式（）变形为×石五丽百而丽×豇砸厂一（）履瓜亓叉面污空气临界流函数（节录）一采用迭代法求妃。先设。，令，代入式（）妃计算根据数据规律，采用最小二乘法，可拟合为埔。×（）瓜一一。×。冗×××式中：为绝对压力（）；为温度（）。空气黏度“（）的计算可按指数方程计算口×（）再计算流出系数×严×（）将流出系数再代入式（），计算可得，式中：为热力学温度。系列喷嘴喉径设计计算喷嘴喉部类型选择本标准装置音速喷嘴选用圆环形喉部结构。因为具有这种喉部的喷嘴，按标准

6、规定，其流出系数的计算公式如式（）所示，不像圆筒型喉部那样按雷诺数大小分段使用两个公式。×如×（矿丽石）（）一般经过两次迭代，所求得的喉径数值即可满、足设计要求。其它喷嘴喉径计算按本装置的设计流量范围，共设计个喷嘴，前个的流量依次成倍增大，最后个补足流量上限。各喷嘴的喉径计算方法重复所（）述过程，具体计算结果如表。表喷嘴号对应流量（）喉径（）系列喷嘴喉径万方数据喷嘴流量和总流量的计算对于同一个喷嘴，由式（）可知，表压力、流函数比。和滞止压力比诈的乘积，即口。，×（）于是表压力下的各喷嘴流量可按下的流量乘以得到，具体计算结果如表。与下的流量比。等于流量系数比表表握力

7、（）各喷嘴流量和累加总流量号数单个累加单个累加喷嘴流出系数修正经过检定后的音速喷嘴，通常在检定证书中会度修正，该修正对于低雷诺数（相当于小流量）情况下显得尤为重要。比如，当雷诺数、和，时，流出系数的修正值为，相当于的引入误差，此误差与音速喷嘴的总体准确度给出喷嘴的流出系数，和流出系数对应的雷诺数把、滞止压力和滞止温度。（各数据下标中的字母表示在校准状态，一般为标准大气状态）。而值得注意的是，本正压法装置实际应川的音速喷嘴工作的滞止压力不同于负压法标准装置，不可能固定在。附近，通常随着气源压力变化而变化，滞止压力变化范围达到倍；滞止温度瓦。的变化相对小的多，但也有可能在小范嗣内变化。如何对检定得

8、到流出系数进行实际应用中的修正，成为一个值得关注的问题。根据式（）可知，在校准滞止压力。“校准滞止温度。条件下和实际滞止压力。、滞止温度条件下对应的流出系数分别为式（）和式（）。将式（）减去式（），并整理得一二相当。流出系数的修正必要性可以得到充分说明。结论通过对临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置系列喷嘴设计及流出系数修正方法的计算和分析，可以得到以下点结论：）气体流量标准装置中的临界流文丘里喷嘴尽可能选用圆环形喉部结构，从根本上消除了圆筒型喉部按雷诺数大小分段使用两个公式给设计计算带来的诸多不便。）临界流文丘里喷嘴的设计应以气体流量标准装置的设计流量范围的下限为起点，衔接喷嘴流量依次成倍增大，最后个补足流量上限。本设计方法对于任何检定流量点都可以由各喷嘴组合得到，其差值不超过起点下限喷嘴流量。）在应用临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置对气体流量计进行检定时，在低雷诺数（小流量）情况下，必须进行音速喷嘴流出系数的实际工作状态的修正。（）【一（船出）一】（）由式（）可知，不同滞止温度和滞止压力下雷诺数之比等于对应质量流量之比，代入式（）可得【一（。，。）一】（）又由式（）可知一：坠×（争）