一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，包括圆筒状壳体，在其内同轴地固定异形孔板，在其圆周方向上开有长槽，在异形孔板上开有内孔和阻流板导向孔，长槽的端面与阻流板导向孔的端面对齐，在圆筒状壳体外布置弹簧-浮子作用室，在弹簧-浮子作用室内布置有相连接的高精度线性弹簧和浮子，浮子能够在长槽和阻流板导向孔组成的导向通道中自由滑动，弹簧-浮子作用室的上部腔体通过高压引导通道与异形孔板上游的管道相连通，下部腔体通过低压引导孔与异形孔板下游管道相连通；构成了类似于传统不可压缩临界流装置中气穴阻挡层的附加节流件，具有流速低，压力损失小，安全性能好，且能在上下游压力波动时都能保持不可压缩流体临界流量的优点。
【技术实现步骤摘要】
—种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置
本专利技术属于流体控制和测量
，具体涉及一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置。
技术介绍
所谓临界流，就是在一定的进口参数下，当临界流装置下游压力达到某一个临界值时，流经的流量就会达到一个最大值，如果进一步降低出口压力，流量仍将保持恒定不变，不会随下游压力的降低而增大，此时也称流动达到壅塞状态。在壅塞状态下，装置下游的干扰完全被阻断掉了，流量能始终保持高度的恒定。临界流现象既可以在气体流动中发生，也可以发生于液体流动中。在气体流动中，当文丘里喷嘴喉部的流速达到当地音速，下游的压力波就无法传播到上游，上游流动完全不受下游干扰，因而流量会维持恒定不变，好像流动发生了壅塞。目前相关的研究已十分成熟，精度很高的临界流量和临界参数的计算方法和技术标准已经建立起来。与气体不同，由于液体中的音速一般都非常高，如水在常温下的音速为1500m/s，若要在喷嘴中将水加速到这样高的流速，根据伯努利方程，进口与喉部之间的压差就必须大于1125MPa，这一般是不可企及的。而且从另一方面看，随着加速过程的不断进行，流体的静压会持续降低，一般在流速远未接近音速时，压力就已经到达饱和蒸汽压，于是液体会立即开始汽化，出现汽蚀现象，汽蚀区位于喉口偏下游的位置。当汽蚀发生时，尽管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。因此汽蚀区是一个阻力很大的气穴阻挡层，通过时会产生一种额外的附加阻力。根据液体在饱和状态下的特性，如果来流温度不变，则对应的饱和蒸汽压力将维持不变，即喉口压力将始终等于液体的饱和蒸汽压，但这只是喉口压力保持稳定的基础，其中的主要机制还在于下面的气穴阻挡层的特性。如果再降低下游压力，则气穴阻挡层下游压力会随着下降，汽蚀强度会立即增大，引起气穴阻挡层膨胀伸长，结果会使附加阻力增大，阻止上游压力下滑，维持喉口压力不变，喉口上游的流动不受影响，流量维持不变。相似地，如果下游压力增大，则气穴阻挡层下游压力会随着增加，汽蚀强度随之降低，气穴阻挡层就会自动缩小，使附加阻力减小，阻止上游压力上浮，维持喉口压力不变，流量不变。因此气穴阻挡层能有效阻断下游压力扰动对上游的影响，下游的压力扰动不能越过汽蚀区向上游传播。利用这一现象也可以对液体的流量进行精确的控制和测量。例如在液体火箭发动机中用于控制和测量液体燃料和液氧流量的文丘里管就是依据这一原理而工作的。这种文丘里管就被称为汽蚀文丘里管。同其他汽蚀现象一样，当文丘里管喉部出现汽蚀时，管壁会受到强烈的侵蚀作用，同时也会伴有巨大的噪音和强烈振动，甚至发光发热。但是由于火箭的工作时间很短，力口上采用高硬度的材料，汽蚀对于火箭来说还是可以接受的，所以汽蚀文丘里管在火箭发动机中还是得到了广泛的应用，但是在其他领域，虽然也有很好的设想却一直未能得到应用。另外，汽蚀文丘里管的压降和阻力损失也非常大。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管，则流体到达喉部的压力降就等于30MPa，如此大的压差不论在设计还是制造方面都是极为困难的，即使经过扩散段时仍会产生巨大的压力损失。根据目前的资料推算，至少20%的上游压力会永久性地损失掉，即最低压力损失达6MPa，这是一般工程难以接受的。因此，液体虽然在流动中也会因汽蚀而出现壅塞现象，但是在一般情况下却难以利用这一原理对流量进行精确控制和测量。这是目前需要解决的一个科学问题。最后，虽然汽蚀文丘里管能够阻断下游压力扰动对流量的影响，但是对于上游的压力扰动却没有阻断作用。例如当上游压力增大时，尽管喉部压力仍能维持为液体的饱和蒸汽压，但根据伯努利方程，喉口处的流速却会随上游压力的增大而增大，即流量会增大。相应地当上游压力降低时，流量就会减少。因此上游压力的扰动会直接影响流量的恒定，破坏了临界流状态。综上所述，临界流现象在科学研究和工程技术中具有十分广泛的应用。对于不可压缩流体，其核心价值在于，当流动因汽蚀而出现气穴阻挡层，能够阻断下游的任何压力扰动，使流量保持高度的恒定。但是这种壅塞方式存在着能量损失巨大，噪音大，安全性能差，对上游压力扰动无屏蔽作用等明显的缺点，从而影响流量的控制和测量精度。因此，依据汽蚀原理而使不可压缩流体产生临界流的方法在一般科学研究和工程中是难以接受的，这是目前亟待需要解决的一个科学问题。显然这一切的根源都在“汽泡”组成的气穴阻挡层，尽管气穴阻挡层的行为极为复杂，但其最终的效果就是产生一个能自动调节阻力的附加“阻力件”，如果能用其它方式来代替气穴阻挡层的作用就可以解决这一问题。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，具有能量损失小，无噪音，且能够同时屏蔽上下游扰动的特点。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案:一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，包括圆筒状壳体1，在圆筒状壳体I内同轴地固定有异形孔板2，在圆筒状壳体I的圆周方向上开有长槽la，在异形孔板2上开有内孔2b，并在异形孔板2径向开有阻流板导向孔2a，所述长槽Ia的端面与阻流板导向孔2a的端面相对齐，在圆筒状壳体I外与异形孔板2对应的位置布置有弹簧-浮子作用室3，在弹簧-浮子作用室3内布置有相连接的高精度线性弹簧4和浮子5，所述浮子5能够在长槽Ia和阻流板导向孔2a组成的导向通道中自由滑动，所述弹簧_浮子作用室3的上部腔体通过高压引导通道6与异形孔板2上游的管道相连通，下部腔体通过低压引导孔7与异形孔板2下游管道相连通。所述弹簧-浮子作用室3为两个，对称的布置在圆筒状壳体I两侧，或为一个，布置在圆筒状壳体I单侧。所述浮子5由相连接的上半部分的圆柱体5a和下半部分的长方体形阻流板5b组成，圆柱体5a顶端与高精度线性弹簧4连接，长方体形阻流板5b能够在长槽Ia和阻流板导向孔2a组成的导向通道中自由滑动。[0011 ] 所述圆柱体5a和长方体形阻流板5b相垂直连接，且圆柱体5a的外径大于长方体形阻流板5b的宽度。当所述弹簧-浮子作用室3为两个，对称的布置在圆筒状壳体I两侧时，所述异形孔板2在其轴向中间位置开有径向贯穿的阻流板导向孔2a，与所述阻流板导向孔2a相对应位置的内孔2b的截面为特定形状的四边形，该四边形的中心与异形孔板2的中心相重合，且该四边形为中心对称图形，其有效控制形线S的方程为(I):y = Sa^2pk/ ^+ r)，⑴当所述弹簧-浮子作用室3为一个，布置在圆筒状壳体I单侧时，所述异形孔板2在其轴向中间位置开有径向非贯穿的阻流板导向孔2a，与所述阻流板导向孔2a相对应位置的内孔2b的截面为特定形状的四边形，该四边形为轴对称图形，其有效控制形线S的方程为(2):y =-, 一 =in — X +1^) 1.5，X e(2) 4a ^jlpk / A0在方程(I)和方程(2)中:Q为临界质量流量，α为流量系数，P为流体密度，k为高精度线性弹簧的弹性系数，Atl为浮子5上半部分的圆柱体5a的横截面积，m为内孔2b的形状参数，t为长方体形阻流板5b到达异形孔板2的喉口边缘之前高精度线性弹簧4的预拉伸量。所述弹簧-浮子作用室3包括固定在圆筒状壳体I上的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，其特征在于：包括圆筒状壳体（1），在圆筒状壳体（1）内同轴地固定有异形孔板（2），在圆筒状壳体（1）的圆周方向上开有长槽（1a），在异形孔板（2）上开有内孔（2b），并在异形孔板（2）径向开有阻流板导向孔（2a），所述长槽（1a）的端面与阻流板导向孔（2a）的端面相对齐，在圆筒状壳体（1）外与异形孔板（2）对应的位置布置有弹簧?浮子作用室（3），在弹簧?浮子作用室（3）内布置有相连接的高精度线性弹簧（4）和浮子（5），所述浮子（5）能够在长槽（1a）和阻流板导向孔（2a）组成的导向通道中自由滑动，所述弹簧?浮子作用室（3）的上部腔体通过高压引导通道（6）与异形孔板（2）上游的管道相连通，下部腔体通过低压引导孔（7）与异形孔板（2）下游管道相连通。
【技术特征摘要】
1.一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，其特征在于:包括圆筒状壳体(1)，在圆筒状壳体(1)内同轴地固定有异形孔板(2)，在圆筒状壳体(1)的圆周方向上开有长槽(la)，在异形孔板(2)上开有内孔(2b)，并在异形孔板(2)径向开有阻流板导向孔(2a)，所述长槽(Ia)的端面与阻流板导向孔(2a)的端面相对齐，在圆筒状壳体(1)外与异形孔板(2)对应的位置布置有弹簧-浮子作用室(3)，在弹簧-浮子作用室(3)内布置有相连接的高精度线性弹簧(4)和浮子(5)，所述浮子(5)能够在长槽(Ia)和阻流板导向孔(2a)组成的导向通道中自由滑动，所述弹簧-浮子作用室(3)的上部腔体通过高压引导通道(6)与异形孔板(2 )上游的管道相连通，下部腔体通过低压引导孔(7 )与异形孔板(2 )下游管道相连通。2.根据权利要求1所述的一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，其特征在于:所述弹簧-浮子作用室(3)为两个，对称的布置在圆筒状壳体(1)两侧，或为一个，布置在圆筒状壳体(1)单侧。3.根据权利要求1或2所述的一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，其特征在于:所述浮子(5)由相连接的上半部分的圆柱体(5a)和下半部分的长方体形阻流板(5b)组成，圆柱体(5a)顶端与高精度线性弹簧(4)连接，长方体形阻流板(5b)能够在长槽(Ia)和阻流板导向孔(2a)组成的导向通道中自由滑动。4.根据权利要求3所述的一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，其特征在于:所述圆柱体(5a)和长方体形阻流板(5b)相垂直连接，且圆柱体(5a)的外径大于长方体形阻流板(5b)的宽度。5.根据权利要求2所述的一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，其特征在于: 当所述弹簧-浮子作用室(3)...
【专利技术属性】
技术研发人员：张兴凯，王栋，史红卫，王帅，张炳东，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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