氣體介質(zhì)通過氮封閥門的流動特性分析

分析：

    氣體介質(zhì)因?yàn)槠涔逃械奶匦?mdash;可壓縮性，在閥門的流動中不同于液體。比如在節(jié)流過程中，因?yàn)樵诠?jié)流孔口處強(qiáng)烈的擾動和渦流，導(dǎo)致能量分布的不均，極容易產(chǎn)生噪聲。本文主要討論氣體在流經(jīng)氮封閥門設(shè)備時(shí)參數(shù)的變化與流道截面積的關(guān)系，以及流動過程中氣體能量的傳遞、轉(zhuǎn)換等問題。

   工程中，常見的氣體流動都是穩(wěn)定流動或接近穩(wěn)定的流動。同時(shí)任何一個截面上任一點(diǎn)的流速、壓力、溫度參數(shù)也均不相同。且工質(zhì)在流動中可能與外界交換熱量。上述過程是及其復(fù)雜的，為了簡化問題的研究，考慮到工程中氣體快速地通過閥門，認(rèn)為來不及與閥門進(jìn)行熱交換。同時(shí)取各截面某參數(shù)的平均值作為該截面上各點(diǎn)參數(shù)的值，因此把氣體工質(zhì)的流動看作不可逆的一維絕熱穩(wěn)定流動。

2 能量守恒方程

由熱力學(xué)第1定律，在開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動的能量微分表達(dá)式為：

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

很顯然，克服摩擦消耗的功δw_摩擦和由它轉(zhuǎn)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，該值為0，即有

對上式進(jìn)行積分，因此，沿流動方向任意截面應(yīng)滿足

3 截面參數(shù)變化

根據(jù)參考文獻(xiàn)1，可以得出絕熱等熵流動中參數(shù)變化的相對關(guān)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(shù)

    雖然上述公式是由絕熱等熵流動推出，但對于絕熱流動的截面參數(shù)變化分析具有指導(dǎo)意義。由以上三個公式可以看出，參數(shù)的變化與氣體的馬赫數(shù)有關(guān)。當(dāng)氣體介質(zhì)進(jìn)入閥門時(shí)，處于亞聲速流動。在通過節(jié)流口處(見圖1)，因?yàn)槊娣e減小，流速會增加，壓力降低，比體積增加，介質(zhì)膨脹。通過節(jié)流口后，流通面積變大，流速降低，壓力恢復(fù)，比體積減小，介質(zhì)壓縮。但因?yàn)樵陂y門節(jié)流口處的摩擦導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)換，壓力已不可能恢復(fù)到閥前壓力。流出閥門后，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。