微小音速噴嘴臨界背壓比測(cè)試裝置

周立媛, 李春輝, 謝代梁

(1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018; 2. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 北京 100029)

1 引 言

對(duì)于常見(jiàn)的計(jì)量流量?jī)x表,流量小于0.06 m3/h時(shí)稱為小流量計(jì)量,流量小于6×10-4m3/h時(shí)稱為微小流量計(jì)量[1]。近年來(lái),環(huán)境監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到人們的重視。大氣采樣器是環(huán)境監(jiān)測(cè)中的重要儀器,其流量測(cè)量范圍為0.006 ～0.06 m3/h,測(cè)量不確定度為0.65%[2]。提高大氣采樣器的測(cè)量準(zhǔn)確度,有助于空氣中SO2,NOx等有害物質(zhì)含量的準(zhǔn)確測(cè)量,更好地解決環(huán)境污染問(wèn)題。此外,航空航天中的微小流量測(cè)漏和生物醫(yī)學(xué)工程中呼吸機(jī)耗氧量的測(cè)量等都需要對(duì)微小流量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。臨界流文丘利噴嘴(以下簡(jiǎn)稱音速噴嘴)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定,無(wú)可動(dòng)部件,準(zhǔn)確度高等優(yōu)良特性,小喉徑音速噴嘴被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在微小流量計(jì)量中,作為氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)表,對(duì)其它類型的微小氣體流量計(jì)進(jìn)行量值傳遞[3～5]。音速噴嘴正常工作的前提是工作時(shí)的背壓比小于它的臨界背壓比,臨界背壓比是音速噴嘴的重要參數(shù)。Nakao等[6]對(duì)喉部雷諾數(shù)Red在40～30 000之間的音速噴嘴進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)雷諾數(shù)降低時(shí),臨界背壓比減小,而與音速噴嘴喉徑大小無(wú)關(guān),當(dāng)雷諾數(shù)為40時(shí),臨界背壓比低至0.05。Park等[7]對(duì)雷諾數(shù)為 2×104～3.4×105,喉徑為0.28～8.26 mm的13支音速噴嘴通過(guò)改變擴(kuò)張角(2°、4°、6°、8°)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明當(dāng)擴(kuò)張角為2°、4°、6°時(shí),臨界背壓比無(wú)明顯變化,當(dāng)擴(kuò)張角為8°時(shí),臨界背壓比降低。胡鶴鳴等[8]采用音速噴嘴串聯(lián)的方法對(duì)喉徑在5～15 mm的音速噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示音速噴嘴的喉部雷諾數(shù)越小,臨界背壓比越低,當(dāng)雷諾數(shù)Red<5×104時(shí),可能出現(xiàn)“提前非壅塞”現(xiàn)象,導(dǎo)致臨界背壓比進(jìn)一步降低。按喉部雷諾數(shù)的大小,即高雷諾數(shù)區(qū)(Red≥2×105)和低雷諾數(shù)區(qū)(Red<2×105),ISO 9300[9]對(duì)臨界背壓比分別提出相關(guān)要求。高雷諾數(shù)區(qū):給出了臨界背壓比與音速噴嘴出口面積比的曲線關(guān)系圖。低雷諾數(shù)區(qū):建議保持0.25的臨界背壓比,或進(jìn)行一次臨界背壓比的測(cè)試。

隨著微小流量的不斷發(fā)展,小喉徑音速噴嘴在氣體流量計(jì)量中已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。……