基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管制造技术

本发明专利技术公开了一种基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，包括缩放式的文丘里喷管本体，所述文丘里喷管本体由顺序连接的头部收缩段、喉部直管段、以及尾部扩散段组成；所述文丘里喷管本体位于头部收缩段的进口端设置有上游安装孔板，所述文丘里喷管本体位于尾部扩散段的出口端设置有下游安装孔板；所述文丘里喷管本体的内腔穿设有导杆，且所述导杆的中心轴线与文丘里喷管本体的中心轴线重合；所述导杆上套设有横跨喉部直管段用于控制流体流量的浮子，所述浮子可在流体的驱动下沿导杆轴向滑动与喉部直管段形成面积可变的流通通道。本发明专利技术能够在较低流速和较小的阻力损失下实现不可压缩流体的临界流动，且能够同时屏蔽上下游压力扰动对流量的影响。

Critical flow Venturi machinery based on the principle of congestion

The invention discloses a critical flow Venturi mechanical congestion based on the principle of Venturi, including the zoom type nozzle body, wherein the body is formed by sequentially connected Venturi nozzle head, throat contraction section of straight pipe, and the tail of the diffusion section; Venturi inlet of the body at the head of the contraction section is arranged at the upstream installation the nozzle orifice, Venturi body is located at the rear end is provided with a diffuser outlet installed downstream orifice; the cavity body is arranged on the Venturi nozzle guide rod, and the guide rod of the center axis and the Venturi nozzle central axis of the body coincide; the guide bar is arranged on the straight section for across the throat control of fluid flow float, the float can be in fluid driven along the guide rod and the axial sliding channel forming area variable throat pipe. The invention can realize the critical flow of incompressible fluid at low flow velocity and small resistance loss, and can simultaneously shield the influence of upstream and downstream pressure disturbance on flow rate.

【技术实现步骤摘要】
基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管
本专利技术涉及流体控制和测量
，具体涉及一种基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管。
技术介绍
临界流广泛应用于科学研究和工程技术中。在一定的进口参数下，当下游压强达到某一临界值时，流过节流装置的质量流量会达到一个最大值，如果进一步降低下游压强，流量仍将维持恒定不变，此时的流动状态称为临界流，也称为壅塞流。利用临界流的流动特性，可以实现流量的精确控制和测量。对于可压缩流体在文丘里喷管里的流动，当下游压强降低到某一临界值时，气流在喉部的流速率先达到当地音速，由于喉部下游扩散段的作用，流体在扩散段内减速增压，至出口截面与外界环境背压相平衡。此时流量达到最大值，即临界流量。如果继续降低下游压强，在喉部下游的某一截面会形成激波，尽管激波的厚度很薄，但是阻力很大，可以将激波阵面看成一个有致密气体组成的阻挡层，气流流经时会产生一种额外的“附加阻力”，消耗大量的动能，并且该“附加阻力”能够自动调节值的大小，维持临界流量不变。例如，当下游压强降低时，进出口压差变大，流量有变大的趋势，但是此时激波向下游移动，激波强度增强，此时激波的厚度会变薄，但是却更加的致密，因此“波阻”变大，即附加阻力变大，刚好补偿了下游压强的降低，阻止了流量的增大，维持流量不变。同样，当下游压强升高时，进出口压差减小，流量有变小的趋势，此时激波向偏上游的位置移动，激波阵面前的来流马赫数减小，激波强度减小，激波的厚度会变厚，并且会变得相对质疏，流体流经时的附加阻力减小，防止流量减小，使其保持恒定不变。对于可压缩流体在文丘里喷管里的流动，当下游压强降低到某一临界值时，流体在喉部或喉部偏下游的部位会因压强达到饱和蒸汽压而开始汽化。当汽化发生时，喉口附近将会发生由液体到气体的快速局部相变，尽管此时蒸汽的质量份额很小，但是其体积却非常大，会造成流动阻力骤升。因此汽蚀区是一个由气泡组成的阻力很大的“气穴阻挡层”，流体通过时会产生一种额外的附加阻力。如果下游压强继续降低，流量有变大的趋势，但是此时的汽蚀强度也将随之增大，导致“气穴阻挡层”的膨胀及伸长，流体流经汽蚀区的附加阻力将增大，这样就弥补了下游压强降低对流量的影响，使得流体流至出口截面时与外界环境背压相平衡，维持了流量的恒定。同理，如果下游压强增大时，汽蚀强度随之减小，导致气穴阻挡层的收缩减小，降低了流体流经该区域时的附加阻力，防止流量减小，维持流量恒定。但是，这种基于汽蚀壅塞的临界流文丘里喷管结构，主要应用于液体燃料火箭发动机中，而在其他工程领域应用较少。限制其广泛应用的主要问题存在以下几方面：(1)同其他汽蚀现象一样，当文丘里管内部出现汽蚀时，液体中的气核会在低压区迅速膨胀形成明显可见的气泡，而气泡流经高压区时会发生溃灭，释放出能量，在较短的时间和较小的体积中达到高能量密度状态，形成局部相对高温高压区，还会产生强烈的激波和高速微射流，会对大多数流体设备或者管壁产生强烈的侵蚀作用，同时也会伴有巨大的噪音和强烈振动，造成安全隐患。这就对装置材料及运行条件提出了苛刻的要求。由于液体火箭发动机的工作时间很短，加上采用高硬度的材料，汽蚀对于其来说并不算一个严重的问题，但是在其他领域，由于这样的工作条件很难满足，虽然也有很好的设想却一直未能得到很好的应用。(2)汽蚀文丘里喷管的压降和阻力损失非常大。例如水在25℃时的饱和蒸汽压只有3.17kPa，与进口压强相比几乎可以忽略不计，这意味着上游的静压能在喉部要全部转化成动能才能达到临界流状态。对于文丘里喷管，有接近上游滞止压力20％的压力将会永久性损失掉，这将会造成巨大的能量浪费。例如，在油田注水井中，平均注水压力为30MPa左右，若要在分配管柱中采用汽蚀文丘里喷管，最低阻力损失达6MPa,这一损失远大于一般的阻力件，是一般工程难以接受的。(3)在较低的进口过冷度的情况下(如进口处流体压力较低，或者流体温度较高的情况)，尤其是对于小流量、较小尺寸的汽蚀文丘里喷管，由于流体在文丘里喷管的喉部很容易出现过热状态，即存在着热力学不平衡，会出现“过流”现象，导致流量大于理论计算的最大流量，影响了流量控制的精度。对于低进口过冷度的流体，即使出口压强低于临界压强，仍然可能存在“临界流”和“过流”两种状态，流量不能够唯一确定，这样就使得流量控制过程中出现较大的偏差。(4)由于汽蚀现象是个准稳态过程，汽蚀区气泡的产生和破裂产生的压力波动会导致流量也随之波动，影响流量控制的精度。同时，由于气泡破裂时需要周围的液体填充空穴，因此流量也会随着汽蚀区形态的变化出现波动。研究结果表明，汽蚀文丘里喷管在壅塞状态时的流量控制误差都在10％左右，甚至更高。综上所述，由于基于汽蚀壅塞的不可压缩流体临界流文丘里喷管存在着流速高、阻力损失大、流量控制不稳定、对材料强度要求高等缺陷，在应用中受到较多的限制。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述
技术介绍
的不足，而提供一种基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，能够在较低流速和较小的阻力损失下实现不可压缩流体的临界流动，且能够同时屏蔽上下游压力扰动对流量的影响。为实现上述目的，本专利技术所提供的一种基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，包括缩放式的文丘里喷管本体，所述文丘里喷管本体由顺序连接的头部收缩段、喉部直管段、以及尾部扩散段组成；所述文丘里喷管本体位于头部收缩段的进口端设置有上游安装孔板，所述文丘里喷管本体位于尾部扩散段的出口端设置有下游安装孔板；所述文丘里喷管本体的内腔穿设有导杆，且所述导杆的中心轴线与文丘里喷管本体的中心轴线重合；所述导杆的一端与上游安装孔板的中心孔螺纹连接，所述导杆的另一端与下游安装孔板的中心孔螺纹连接；所述导杆上套设有横跨喉部直管段用于控制流体流量的浮子，且浮子的两端分别向上游安装孔板、下游安装孔板延伸形成流线型结构；所述浮子朝向上游安装孔板的一端为自由端，所述浮子朝向下游安装孔板的一端通过套设在导杆上的弹簧与下游安装孔板连接，所述浮子可在流体的驱动下沿导杆轴向滑动与喉部直管段形成面积可变的流通通道。上述技术方案中，所述上游安装孔板和下游安装孔板的结构相同，所述上游安装孔板包括外环、设置在外环的中部具有中心孔的内环、以及设置在外环的内壁与内环的外壁之间的支杆组成；所述支杆的数量为三根，且沿外环的内壁周向均匀间隔布置，相邻两根支杆之间留有供液体流通的扇形通道。所述导杆的两端均设置有外螺纹，所述内环的中心孔内壁设置有与外螺纹相匹配的内螺纹。上述技术方案中，所述浮子由顺序连接的浮子首段、有效控制段、以及浮子尾段组成，所述浮子首段朝向上游安装孔板布置，所述浮子尾段朝向下游安装孔板布置，所述浮子的中心轴线与文丘里喷管本体的中心轴线重合。上述技术方案中，所述浮子的有效控制段沿其轴向方向的外形母线的形线方程由下式确定：式中：x，y分别为外形母线上任意点对应的横坐标和纵坐标，Q为临界质量流量，θ为壅塞特性系数，R为喉部直管段的半径，ρ为流体密度，k为弹簧的弹性系数，b为弹簧的预压缩量，r为导杆的半径，L为有效控制段的长度。上述技术方案中，所述壅塞特性系数θ与结构参数和流动参数有关，其具体表达形式θ＝θ(x)采用CFD数值模拟方法确定壅塞特性系数θ，具体步骤如下：1)假设θ＝1；2)根据步骤1)中的θ值，计算浮子的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，包括缩放式的文丘里喷管本体(1)，所述文丘里喷管本体(1)由顺序连接的头部收缩段(1.1)、喉部直管段(1.2)、以及尾部扩散段(1.3)组成，其特征在于：所述文丘里喷管本体(1)位于头部收缩段(1.1)的进口端设置有上游安装孔板(2)，所述文丘里喷管本体(1)位于尾部扩散段(1.3)的出口端设置有下游安装孔板(3)；所述文丘里喷管本体(1)的内腔穿设有导杆(4)，且所述导杆(4)的中心轴线与文丘里喷管本体(1)的中心轴线重合；所述导杆(4)的一端与上游安装孔板(2)的中心孔螺纹连接，所述导杆(4)的另一端与下游安装孔板(3)的中心孔螺纹连接；所述导杆(4)上套设有横跨喉部直管段(1.2)用于控制流体流量的浮子(5)，且浮子(5)的两端分别向上游安装孔板(2)、下游安装孔板(3)延伸形成流线型结构；所述浮子(5)朝向上游安装孔板(2)的一端为自由端，所述浮子(5)朝向下游安装孔板(3)的一端通过套设在导杆(4)上的弹簧(6)与下游安装孔板(3)连接，所述浮子(5)可在流体的驱动下沿导杆(4)轴向滑动与喉部直管段(1.2)形成面积可变的流通通道。

【技术特征摘要】
1.一种基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，包括缩放式的文丘里喷管本体(1)，所述文丘里喷管本体(1)由顺序连接的头部收缩段(1.1)、喉部直管段(1.2)、以及尾部扩散段(1.3)组成，其特征在于：所述文丘里喷管本体(1)位于头部收缩段(1.1)的进口端设置有上游安装孔板(2)，所述文丘里喷管本体(1)位于尾部扩散段(1.3)的出口端设置有下游安装孔板(3)；所述文丘里喷管本体(1)的内腔穿设有导杆(4)，且所述导杆(4)的中心轴线与文丘里喷管本体(1)的中心轴线重合；所述导杆(4)的一端与上游安装孔板(2)的中心孔螺纹连接，所述导杆(4)的另一端与下游安装孔板(3)的中心孔螺纹连接；所述导杆(4)上套设有横跨喉部直管段(1.2)用于控制流体流量的浮子(5)，且浮子(5)的两端分别向上游安装孔板(2)、下游安装孔板(3)延伸形成流线型结构；所述浮子(5)朝向上游安装孔板(2)的一端为自由端，所述浮子(5)朝向下游安装孔板(3)的一端通过套设在导杆(4)上的弹簧(6)与下游安装孔板(3)连接，所述浮子(5)可在流体的驱动下沿导杆(4)轴向滑动与喉部直管段(1.2)形成面积可变的流通通道。2.根据权利要求1所述的基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，其特征在于：所述上游安装孔板(2)和下游安装孔板(3)的结构相同，所述上游安装孔板(2)包括外环(2.1)、设置在外环(2.1)的中部具有中心孔的内环(2.2)、以及设置在外环(2.1)的内壁与内环(2.2)的外壁之间的支杆(2.3)组成；所述支杆(2.3)的数量为三根，且沿外环(2.1)的内壁周向均匀间隔布置，相邻两根支杆(2.3)之间留有供液体流通的扇形通道。3.根据权利要求2所述的基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，其特征在于：所述导杆(4)的两端均设置有外螺纹，所述内环(2.2)的中心孔内壁设置有与外螺纹相匹配的内螺纹。4.根据权利要求3所述的基于机械壅塞原理的临界流文丘里喷管，其特征在于：所述浮子(5)由顺序连接的浮子首段(5.1)、有效控制段(5.2)、以及浮子尾段(5.3)组成，所述浮子首段(5.1)朝向上游安装孔板(2)布置，所述浮子尾段(5.3)朝向下游安装孔板(3)布置，所述浮子(5)的中心轴线与文丘里喷管本体(1)的中心轴线重合。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴凯，袁爱雪，沈秋婉，史宝成，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42