氣體介質通過氮封閥門的流動特性分析

氣體介質通過氮封閥門的流動特性分析

分析：

    氣體介質因為其固有的特性—可壓縮性，在閥門的流動中不同于液體。比如在節流過程中，因為在節流孔口處強烈的擾動和渦流，導致能量分布的不均，極容易產生噪聲。本文主要討論氣體在流經氮封閥門設備時參數的變化與流道截面積的關系，以及流動過程中氣體能量的傳遞、轉換等問題。

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

2 能量守恒方程

由熱力學第1定律，在開口系統穩定流動的能量微分表達式為：

忽略重力的作用，也不考慮對閥門做功。同時，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

對上式進行積分，因此，沿流動方向任意截面應滿足

3 截面參數變化

根據參考文獻1，可以得出絕熱等熵流動中參數變化的相對關系。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

    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變化分析具有指導意義。由以上三個公式可以看出，參數的變化與氣體的馬赫數有關。當氣體介質進入閥門時，處于亞聲速流動。在通過節流口處(見圖1)，因為面積減小，流速會增加，壓力降低，比體積增加，介質膨脹。通過節流口后，流通面積變大，流速降低，壓力恢復，比體積減小，介質壓縮。但因為在閥門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。流出閥門后，相比較閥前狀況，閥后壓力減小，流速有一定增加，介質密度有一定減小。