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摘要(yao)：氣體介質因為其固有的特性(xing)——可壓縮性(xing)，在閥(fa)門的(de)流(liu)(liu)動中(zhong)(zhong)不(bu)同于液體。比(bi)如在節流(liu)(liu)過(guo)程中(zhong)(zhong)，因為在節流(liu)(liu)孔口處強烈(lie)的(de)擾動和渦(wo)流(liu)(liu)，導致能量分布的(de)不(bu)均，極容易(yi)產(chan)生噪聲。本文主要(yao)討論氣(qi)體在流(liu)(liu)經閥(fa)門設(she)備時(shi)參數的(de)變化與流(liu)(liu)道截面積(ji)的(de)關系(xi)，以及流(liu)(liu)動過(guo)程中(zhong)(zhong)氣(qi)體能量的(de)傳遞、轉(zhuan)換等問(wen)題(ti)。

關鍵詞：可壓縮性；能量轉換；噪音；控(kong)制(zhi)閥

1 緒論

   工程中，常見的(de)氣(qi)(qi)體流(liu)動(dong)都(dou)是(shi)穩(wen)定(ding)(ding)流(liu)動(dong)或接近(jin)穩(wen)定(ding)(ding)的(de)流(liu)動(dong)。同(tong)時任(ren)何(he)一個截面(mian)上任(ren)一點的(de)流(liu)速、壓力、溫(wen)度(du)參(can)數也均(jun)不(bu)相同(tong)。且工質在流(liu)動(dong)中可能與外界交(jiao)換熱量(liang)。上述過(guo)程是(shi)及其復雜的(de)，為(wei)了簡化問題(ti)的(de)研究，考慮(lv)到工程中氣(qi)(qi)體快速地通過(guo)閥門(men)，認(ren)為(wei)來不(bu)及與閥門(men)進(jin)行熱交(jiao)換。同(tong)時取各截面(mian)某參(can)數的(de)平均(jun)值作(zuo)(zuo)為(wei)該(gai)截面(mian)上各點參(can)數的(de)值，因(yin)此把(ba)氣(qi)(qi)體工質的(de)流(liu)動(dong)看(kan)作(zuo)(zuo)不(bu)可逆的(de)一維絕熱穩(wen)定(ding)(ding)流(liu)動(dong)。

2 能量守恒方程

由熱(re)力學第(di)一定律，在(zai)開口系統穩(wen)定流動的能量微分(fen)表達(da)式為：

忽略重力的(de)(de)作用，也不考慮對閥(fa)門(men)做功(gong)。同時，考慮到(dao)流(liu)體和閥(fa)門(men)的(de)(de)摩(mo)擦作用、流(liu)動中流(liu)體克服摩(mo)擦力做的(de)(de)功(gong)轉化為熱量(liang)，而這部(bu)分熱量(liang)又重新被(bei)加入到(dao)流(liu)動的(de)(de)流(liu)體中。上式簡化為：

很顯(xian)然，克服(fu)摩擦消耗(hao)的(de)功δw摩擦和由它轉換(huan)(huan)的(de)熱(re)量(liang)δq吸是相等的(de)，而δq為(wei)與外界交換(huan)(huan)的(de)熱(re)量(liang)，對于絕熱(re)流動，該值為(wei)0，即有

對上式進行積分(fen)，因此，沿流動(dong)方向任意截面(mian)應(ying)滿(man)足

3 截(jie)面參數變化

根據參(can)(can)考文獻1，可以得出絕熱等熵流動中參(can)(can)數變化的(de)相(xiang)對關系。見以下公式：

其中：v為比體積

c為流速

A為截面積

к為比熱比系數

    雖(sui)然(ran)上述公(gong)(gong)式(shi)是由絕熱等熵(shang)流(liu)(liu)動推出，但(dan)對(dui)于絕熱流(liu)(liu)動的截面參數(shu)變化(hua)分析具(ju)有(you)(you)指導意義(yi)。由以上三(san)個公(gong)(gong)式(shi)可以看出，參數(shu)的變化(hua)與氣體(ti)(ti)的馬赫數(shu)有(you)(you)關。當氣體(ti)(ti)介(jie)質進入閥(fa)門時，處于亞聲速(su)(su)流(liu)(liu)動。在通(tong)過節流(liu)(liu)口(kou)(kou)處(見圖1)，因為(wei)面積(ji)減小(xiao)，流(liu)(liu)速(su)(su)會增(zeng)加，壓(ya)力降低，比(bi)體(ti)(ti)積(ji)增(zeng)加，介(jie)質膨脹。通(tong)過節流(liu)(liu)口(kou)(kou)后(hou)，流(liu)(liu)通(tong)面積(ji)變大，流(liu)(liu)速(su)(su)降低，壓(ya)力恢(hui)復，比(bi)體(ti)(ti)積(ji)減小(xiao)，介(jie)質壓(ya)縮。但(dan)因為(wei)在閥(fa)門節流(liu)(liu)口(kou)(kou)處的摩擦導致的能量轉換，壓(ya)力已不可能恢(hui)復到閥(fa)前壓(ya)力。流(liu)(liu)出閥(fa)門后(hou)，相比(bi)較閥(fa)前狀況，閥(fa)后(hou)壓(ya)力減小(xiao)，流(liu)(liu)速(su)(su)有(you)(you)一定(ding)增(zeng)加，介(jie)質密度有(you)(you)一定(ding)減小(xiao)。

圖1

   如果在節流(liu)(liu)(liu)(liu)口處的(de)(de)(de)(de)面(mian)(mian)積(ji)減小(xiao)得(de)足夠小(xiao)，流(liu)(liu)(liu)(liu)速(su)有可能(neng)增(zeng)加到聲速(su)。此時，整(zheng)個閥門的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量流(liu)(liu)(liu)(liu)量達到zui大值。若此時進(jin)一步(bu)增(zeng)加面(mian)(mian)積(ji)，則氣體(ti)膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)至(zhi)(zhi)超音(yin)(yin)(yin)速(su)，壓(ya)力(li)進(jin)一步(bu)降(jiang)(jiang)低。有可能(neng)產生較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)噪(zao)音(yin)(yin)(yin)。但(dan)質(zhi)量流(liu)(liu)(liu)(liu)量不(bu)再增(zeng)加。這種情(qing)形(xing)即是氣體(ti)選(xuan)型時碰到的(de)(de)(de)(de)阻(zu)塞流(liu)(liu)(liu)(liu)情(qing)形(xing)。對于(yu)(yu)(yu)多(duo)級(ji)(ji)降(jiang)(jiang)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)閥內件(jian)結構，尤其要注意這種流(liu)(liu)(liu)(liu)速(su)增(zeng)加的(de)(de)(de)(de)狀況。因(yin)(yin)為多(duo)級(ji)(ji)降(jiang)(jiang)壓(ya)內件(jian)通(tong)常被設計(ji)成如下的(de)(de)(de)(de)形(xing)式(見(jian)圖2)。通(tong)常zui外(wai)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)套筒面(mian)(mian)積(ji)較(jiao)大，然后(hou)減小(xiao)，到zui里層套筒的(de)(de)(de)(de)面(mian)(mian)積(ji)zui小(xiao)。這種從外(wai)到里流(liu)(liu)(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)設計(ji)方式對于(yu)(yu)(yu)液體(ti)工況來講效果很(hen)(hen)好，它有效地增(zeng)大了阻(zu)尼(ni)，降(jiang)(jiang)低了壓(ya)差。但(dan)是對于(yu)(yu)(yu)氣體(ti)工況來講，效果卻恰恰相反。由于(yu)(yu)(yu)節流(liu)(liu)(liu)(liu)面(mian)(mian)積(ji)逐(zhu)級(ji)(ji)不(bu)斷收縮(suo)，氣體(ti)不(bu)斷加速(su)，壓(ya)力(li)不(bu)斷降(jiang)(jiang)低，密(mi)度持續減小(xiao)，介質(zhi)不(bu)斷膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)，極(ji)有可能(neng)被膨(peng)(peng)脹(zhang)(zhang)(zhang)至(zhi)(zhi)音(yin)(yin)(yin)速(su)甚至(zhi)(zhi)超音(yin)(yin)(yin)速(su)。此時，會引起(qi)很(hen)(hen)強(qiang)(qiang)的(de)(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)。因(yin)(yin)為振(zhen)動(dong)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)弱是和(he)流(liu)(liu)(liu)(liu)速(su)的(de)(de)(de)(de)平(ping)方成正比(bi)的(de)(de)(de)(de)。輕者(zhe)引起(qi)噪(zao)音(yin)(yin)(yin)很(hen)(hen)大，重者(zhe)甚至(zhi)(zhi)能(neng)破壞管(guan)道。因(yin)(yin)此對于(yu)(yu)(yu)多(duo)級(ji)(ji)降(jiang)(jiang)壓(ya)結構來講，氣體(ti)流(liu)(liu)(liu)(liu)向應當從里往外(wai)流(liu)(liu)(liu)(liu)。先讓(rang)氣體(ti)節流(liu)(liu)(liu)(liu)降(jiang)(jiang)壓(ya)，然后(hou)逐(zhu)漸適度壓(ya)縮(suo)，以控制內部的(de)(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)速(su)。防止(zhi)振(zhen)動(dong)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)(見(jian)圖2)。

圖2