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摘要：氣體介質(zhì)因為其固有的特性——可壓縮性，在閥門(mén)的流動(dòng)中不同于液體。比如在節流過(guò)程中，因為在節流孔口處強烈的擾動(dòng)和渦流，導致能量分布的不均，容易產(chǎn)生噪聲。本文主要討論氣體在流經(jīng)閥門(mén)設備時(shí)參數的變化與流道截面積的關(guān)系，以及流動(dòng)過(guò)程中氣體能量的傳遞、轉換等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：可壓縮性；能量轉換；噪音；控制閥

1 緒論

   工程中，常見(jiàn)的氣體流動(dòng)都是穩定流動(dòng)或接近穩定的流動(dòng)。同時(shí)任何一個(gè)截面上任一點(diǎn)的流速、壓力、溫度參數也均不相同。且工質(zhì)在流動(dòng)中可能與外界交換熱量。上述過(guò)程是及其復雜的，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的研究，考慮到工程中氣體快速地通過(guò)閥門(mén)，認為來(lái)不及與閥門(mén)進(jìn)行熱交換。同時(shí)取各截面某參數的平均值作為該截面上各點(diǎn)參數的值，因此把氣體工質(zhì)的流動(dòng)看作不可逆的一維絕熱穩定流動(dòng)。

2 能量守恒方程

由熱力學(xué)定律，在開(kāi)口系統穩定流動(dòng)的能量微分表達式為：

 

忽略重力的作用，也不考慮對閥門(mén)做功。同時(shí)，考慮到流體和閥門(mén)的摩擦作用、流動(dòng)中流體克服摩擦力做的功轉化為熱量，而這部分熱量又重新被加入到流動(dòng)的流體中。上式簡(jiǎn)化為：

 

很顯然，克服摩擦消耗的功δw摩擦和由它轉換的熱量δq吸是相等的，而δq為與外界交換的熱量，對于絕熱流動(dòng)，該值為0，即有

 

對上式進(jìn)行積分，因此，沿流動(dòng)方向任意截面應滿(mǎn)足

 

3 截面參數變化

根據參考文獻1，可以得出絕熱等熵流動(dòng)中參數變化的相對關(guān)系。見(jiàn)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

    雖然上述公式是由絕熱等熵流動(dòng)推出，但對于絕熱流動(dòng)的截面參數變化分析具有指導意義。由以上三個(gè)公式可以看出，參數的變化與氣體的馬赫數有關(guān)。當氣體介質(zhì)進(jìn)入閥門(mén)時(shí)，處于亞聲速流動(dòng)。在通過(guò)節流口處(見(jiàn)圖1)，因為面積減小，流速會(huì )增加，壓力降低，比體積增加，介質(zhì)膨脹。通過(guò)節流口后，流通面積變大，流速降低，壓力恢復，比體積減小，介質(zhì)壓縮。但因為在閥門(mén)節流口處的摩擦導致的能量轉換，壓力已不可能恢復到閥前壓力。流出閥門(mén)后，相比較閥前狀況，閥后壓力減小，流速有一定增加，介質(zhì)密度有一定減小。

 

圖1

   如果在節流口處的面積減小得足夠小，流速有可能增加到聲速。此時(shí)，整個(gè)閥門(mén)的質(zhì)量流量達到大值。若此時(shí)進(jìn)一步增加面積，則氣體膨脹至超音速，壓力進(jìn)一步降低。有可能產(chǎn)生較大的噪音。但質(zhì)量流量不再增加。這種情形即是氣體選型時(shí)碰到的阻塞流情形。對于多級降壓的閥內件結構，尤其要注意這種流速增加的狀況。因為多級降壓內件通常被設計成如下的形式(見(jiàn)圖2)。通常外面的套筒面積較大，然后減小，到里層套筒的面積小。這種從外到里流的設計方式對于液體工況來(lái)講效果很好，它有效地加大了阻尼，降低了壓差。但是對于氣體工況來(lái)講，效果卻恰恰相反。由于節流面積逐級不斷收縮，氣體不斷加速，壓力不斷降低，密度持續減小，介質(zhì)不斷膨脹，有可能被膨脹至音速甚至超音速。此時(shí)，會(huì )引起很強的振動(dòng)。因為振動(dòng)的強弱是和流速的平方成正比的。輕者引起噪音很大，重者甚至能破壞管道。因此對于多級降壓結構來(lái)講，氣體流向應當從里往外流。先讓氣體節流降壓，然后逐漸適度壓縮，以控制內部的流速。防止振動(dòng)的影響(見(jiàn)圖2)。

 

圖2

根據參考文獻3，對一維絕熱等熵流動(dòng)，有如下公式成立：

 

其中：pcr為流速達到當地聲速時(shí)的介質(zhì)壓力

      p0為當介質(zhì)速度減為0時(shí)的介質(zhì)壓力，稱(chēng)為滯止壓力，也成為總壓力，是一個(gè)理論值

      vcr為臨界壓力比

      к為比熱比系數

上式表明了當流速達到當地聲速時(shí)，即是質(zhì)量流量達到大時(shí)，也就是出現阻塞流的時(shí)候的壓力比值，這個(gè)比值只與工質(zhì)性質(zhì)有關(guān)�，F列舉幾個(gè)常見(jiàn)的數值，見(jiàn)表1：

氣體	雙原子氣體	過(guò)熱蒸汽	干飽和蒸汽
к	1.4	1.3	1.135
vcr	0.528	0.546	0.577

表1

從上表可以看出，氣體性質(zhì)雖然不同，但臨界壓力均約等于0.5�？紤]到工程中誤差的允許范圍，這就是氣體工況選型中的判定阻塞流的認定條件：閥后壓力/閥前壓力≥0.5時(shí)，認為會(huì )出現阻塞流。

4 節流后溫度的變化

    氣體通過(guò)閥門(mén)節流過(guò)程中的溫度變化比較復雜，節流后溫度可能會(huì )降低，可能會(huì )升高，也可能不變。要判定節流后溫度的變化情況，需要判定介質(zhì)的焦耳—湯姆遜系數μJ，該系數是表征在焓值不變的情況下溫度對壓力的微分關(guān)系。由參考文獻2提供的曲線(xiàn)圖可知(圖3)：

 

圖3

在轉回曲線(xiàn)和溫度軸內部包含的區域，μJ>0，稱(chēng)為冷效應區。閥前溫度處于該區域內的氣體介質(zhì)，節流后溫度會(huì )降低。且壓差越大，溫度下降得越低；而在轉回曲線(xiàn)和溫度軸外部包含的區域，μJ<0，稱(chēng)為熱效應區。閥前溫度處于該區域內的氣體介質(zhì)，節流后溫度會(huì )升高；若閥前溫度剛好處于轉回曲線(xiàn)上，則通過(guò)閥門(mén)節流后溫度不變。實(shí)際上大多數的氣體經(jīng)節流后溫度都會(huì )降低，只有少數氣體，如H2和He在常溫下節流后的溫度會(huì )升高。例如天然氣的液化就是利用該特性來(lái)進(jìn)行的。

5 總結

本文僅對工程中氣體通過(guò)閥門(mén)的一些流動(dòng)特性及工程選型的一些注意事項進(jìn)行了定性分析。由于介質(zhì)通過(guò)閥門(mén)時(shí)高度摩擦，強烈的擾動(dòng)以及大量的渦流，處于度不平衡狀態(tài)，因此無(wú)法進(jìn)行很具體的計算分析，只能借助CFD(計算流體力學(xué))軟件來(lái)進(jìn)行分析，結合實(shí)際工況經(jīng)驗聯(lián)合判斷。