作者：2018級(jí)本科生 黃鈺誠(chéng)、覃思博、蔡坤鵬、龔婭 能源動(dòng)力與工程系
指導(dǎo)老師：張揚(yáng) 能源動(dòng)力與工程系
關(guān)鍵詞：音速噴嘴 流量調(diào)節(jié)
摘要
氣體流量控制裝置是基于音速噴嘴原理設(shè)計(jì)，利用音速噴嘴原理將質(zhì)量流量控制過程轉(zhuǎn)化為壓力控制過程，并且采用機(jī)械自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)壓力波動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)于流量的精確控制，利用新型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)量程段的拓展，從而實(shí)現(xiàn)低成本變壓力耐受的質(zhì)量流量控制。
選題背景
氣體流量控制器是能源、化工、醫(yī)藥、航空航天等領(lǐng)域科學(xué)研究和工業(yè)過程中不可缺少的重要設(shè)備。氣體流量控制器的精度、穩(wěn)定性等性能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性、工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量等具有重要影響。現(xiàn)有的流量控制裝置仍然存在缺陷，目前常規(guī)采用的質(zhì)量控制裝置基本只適用于穩(wěn)定壓力條件，對(duì)外界壓力波動(dòng)的適應(yīng)性差，在流量計(jì)上下游壓力出現(xiàn)變化的條件下，流量控制會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，造成實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性差或者工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量差?；谝羲賴娮斓淖詣?dòng)氣體流量控制裝置，采用機(jī)械自動(dòng)控制低成本地解決現(xiàn)壓力波動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)于流量的精確控制，采用新型結(jié)構(gòu)提供大量程的自動(dòng)氣體流量控制裝置。
設(shè)計(jì)思路
裝置的設(shè)計(jì)思路是采用減壓閥和音速噴嘴的組合，利用音速噴嘴原理將質(zhì)量流量控制過程轉(zhuǎn)化為壓力控制過程，達(dá)到準(zhǔn)確控制流量的目的。
減壓閥用于解決上游壓力波動(dòng)的問題，同時(shí)調(diào)節(jié)音速噴嘴上游的壓力；噴嘴用于利用“音速堵塞”現(xiàn)象，解決下游壓力波動(dòng)的問題；組合裝置使得通過噴嘴的流量?jī)H僅和噴嘴上游（即減壓閥下游）的壓力成正比。
環(huán)境背景壓力pb＞p*時(shí)，全管內(nèi)為亞聲速流動(dòng)，最終管內(nèi)壓力下降到出口壓力pe與環(huán)境壓力pb相等，出口亞聲速；環(huán)境背景壓力pb≤p*時(shí)，出口處以聲速流動(dòng)，在出口后產(chǎn)生膨脹波，出口壓力
降壓后與環(huán)境壓力pb匹配，出現(xiàn)“音速阻塞”現(xiàn)象。對(duì)于連續(xù)流動(dòng)，有：
因此，使用壓力傳感器獲得p0即可推知
，通過減壓閥調(diào)節(jié)p0即可改變流量
。
對(duì)比優(yōu)勢(shì)
優(yōu)勢(shì)一：變壓力耐受、精度高、帶自動(dòng)控，將流量控制過程轉(zhuǎn)化為壓力控制過程，使得流量的控制過程簡(jiǎn)單化，同時(shí)可以避免其他質(zhì)量流量控制方法由于壓力波動(dòng)引起的誤差；流量偏差可自動(dòng)調(diào)節(jié)。
優(yōu)勢(shì)二：適用壓力范圍廣，采用多通閥連接著截面面積不同的的噴嘴，適用于不同壓力下的測(cè)量，故本流量計(jì)適用壓力范圍廣。
優(yōu)勢(shì)三：成本較低，與同精度等級(jí)的熱式流量計(jì)相比，成本較低：高精度進(jìn)口熱式質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格達(dá)到數(shù)萬(wàn)元（不帶數(shù)顯），本流量計(jì)成本約為三千元。
圖1 最初版本設(shè)備連接圖
圖2 設(shè)備集成后效果圖
