一种应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置

摘要

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。

说明书

技术领域

本发明属于流体控制和测量技术领域，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。

背景技术

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，加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。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明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，本发明采用如下技术方案：

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。

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。

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1a和阻流板导向孔2a组成的导向通道中自由滑动。

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1两侧时，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（1）：

$>y=\frac{Q}{8\alpha \sqrt{2\mathrm{\rho k}/A_0}}{(m-|x|+t)}^{-1.5},x\in (-m,m)---\left(1\right)$>

当所述弹簧-浮子作用室3为一个，布置在圆筒状壳体1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）：

$>y=\frac{Q}{4\alpha \sqrt{2\mathrm{\rho k}/A_0}}{(m-x+t)}^{-1.5},x\in (-m,m)---\left(2\right)$>

在方程（1）和方程（2）中：Q为临界质量流量，α为流量系数，ρ为流体密度，k为高精度线性弹簧的弹性系数，A₀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1上的基座3a以及固定在基座3a上的帽盖3b，所述弹簧-浮子作用室3的帽盖3b的内径与圆柱体5a的外径相等并采用负偏差配合，所述低压引导孔7开在基座3a底部的圆筒状壳体1上。

所述帽盖3b和基座3a通过螺纹连接。

本发明利用在异形孔板2喉口处加装弹簧-浮子作用室3，使其内的弹簧4和浮子5形成弹簧-浮子阻塞体，就构成了一个类似气穴阻挡层的附加节流件，随上下游压力的波动而伸长和收缩，改变喉口流通面积，自动调节附加节流件的阻力，使得不可压缩流体发生壅塞。与现有技术相比，具有如下优点：

1）能量损失小：当异形孔板2上下游产生的压差能使浮子5克服弹簧4的拉力而移动到喉口边缘即可以达到流动壅塞状态，一方面达到该压差需要的流体流速并不要求达到音速，也不需要增大到使液体发生汽蚀，另一方面该压差的大小还可以通过改变浮子5上半部分的圆柱体5a的横截面积，或者改变弹簧4的弹性系数等方式调节，因此整个装置的压差和阻力损失就可以明显降低。对于不可压缩流体其效果更加明显。

2）安全性能好：对于不可压缩流体，当达到流动壅塞状态时，长方体形阻流板5b移动到可以遮挡部分的喉口面积，由于异形孔板2的内孔2b为特定形状的四边形，所以喉口面积随长方体形阻流板5b的伸长和收缩而产生具有特殊规律的变化，这种特殊规律的变化能够消除上下游压差变化的影响，一直维持临界流量的恒定。因此这样临界流发生时喉口不需要发生汽蚀，减小了对管道的侵蚀，并且无噪音无振动。

3）由于浮子5是在异形孔板2上下游的压力差与弹簧4弹力的共同作用下，靠机械运动的形式来改变特定形状的四边形喉口的流通面积来实现流动壅塞的，所以它能同时阻断上下游压力扰动对临界流量的影响。

附图说明

图1是弹簧-浮子作用室对称布置时本发明的剖面图。

图2是浮子结构示意图。

图3是与图1结构相对应的异形孔板立体图。

图4是与图1结构相对应的异形孔板内孔2b的示意图。

图5是弹簧-浮子作用室基座底部示意图。

图6是一个弹簧-浮子作用室时本发明的示意图，其中：图6（a）为剖面图，图6（b）为异形孔板内孔2b的示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

实施例一

如图1所示，本实施例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1内同轴地固定有异形孔板2，二者可以采用焊接或者螺纹连接等任何一种固定连接方式。在圆筒状壳体1外与异形孔板2对应的位置上下对称布置有两个弹簧-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。高压引导通道6为可拉伸的材料构成。两个对称布置的弹簧-浮子作用室3，以及其中的高精度线性弹簧4和浮子5的结构参数完全相同。弹簧-浮子作用室3分为基座3a和帽盖3b两部分。基座3a焊接到圆筒状壳体1上。

如图2所示，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，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。

如图3和图4所示，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（1）：

$>y=\frac{Q}{8\alpha \sqrt{2\mathrm{\rho k}/A_0}}{(m-|x|+t)}^{-1.5},x\in (-m,m)---\left(1\right)$>

其中，Q为临界质量流量，α为流量系数，ρ为流体密度，k为高精度线性弹簧4的弹性系数，A₀为浮子5上半部分的圆柱体5a的横截面积，m为内孔2b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。

如图5所示，基座3a底部的圆筒状壳体1的圆周方向上开有长槽1a，长槽1a的端面与异形孔板2上的阻流板导向孔2a的端面相对齐，并且能使得长方体形阻流板5b可以在长槽1a和阻流板导向孔2a组成的导向通道中自由滑动。长槽1a的下游开有低压引导孔7。帽盖3b与基座3a通过螺纹连接，其内径与浮子圆柱体5a外径相等并采用负偏差配合。

将长方体形阻流板5b插入到异形孔板2的阻流板导向孔2a中，既避免了流体从长方体形阻流板5b和异形孔板2之间夹缝的泄露，同时也有效的减小管道中浮子5的长方体形阻流板5b在来流方向的受力面积，避免了浮子5与长槽1a和阻流板导向孔2a内壁之间由于摩擦阻力过大而出现运动卡死现象。此外，由流体对长方体形阻流板5b的冲击造成的浮子5与长槽1a和阻流板导向孔2a内壁之间的摩擦力也是必要的，它可以有效减小浮子-弹簧阻塞体的震动幅度，减轻震荡，并且可以有效缩短稳定到平衡位置的反应时间。

本实施例的工作原理为：如图1所示，

当圆筒状壳体1内流体流经异形孔板2时，流道收缩，流场会被重塑，此时动能增加，压强降低，这样异形孔板2的上下游之间会产生压力降。异形孔板2上游的高压流体由高压引导通道6导入弹簧-浮子作用室3中的帽盖3b侧。而异形孔板2下游的低压流体则经过低压引导孔7进入弹簧-浮子作用室3中基座3a侧。这样浮子5在圆柱体5a两侧压差力的作用下克服高精度线性弹簧4的拉力发生移动，直到压差力和拉力平衡时，浮子5稳定在某一固定位置。当浮子5受力平衡而高精度线性弹簧4的拉伸量小于预设拉伸量t时，两侧布置的浮子5同时在径向上随着压差力的大小变化而移动，但此时未到达异形孔板2的喉口处，此时异形孔板2喉口面积不变，流体流量随着上下游压差的增大而增大，随着上下游压差的减小而减小。当浮子5受力平衡而高精度线性弹簧4的拉伸量等于预设拉伸量t时，长方体形阻流板5b移动到异形孔板2的喉口边缘，流经流体流量达到最大值，即临界流量，开始进入壅塞状态。当浮子受力平衡而高精度线性弹簧4的拉伸量大于预设拉伸量t时，此时浮子移动到可以遮挡部分异形孔板2喉口的位置，此时异形孔板2的喉口面积随着浮子5的移动而发生变化。当管道下游压力下降时，异形孔板2下游侧的压力随着降低,于是浮子5两端的压差增大，带动高精度线性弹簧4一起伸长，两侧布置的浮子5同时向圆筒状壳体1中心方向移动，增大了长方体形阻流板5b对异形孔板2喉口的遮挡面积，喉口面积减小，节流程度加大，从而使附加阻力增加，抵消掉上下游压差增大对流量的影响，流量维持不变。反之当下游压力增高时，异形孔板2下游侧的压力随着升高,浮子5两端的压差减小，两侧的浮子5会在高精度线性弹簧4的作用下向外侧移动，减小了长方体形阻流板5b对异形孔板2喉口的遮挡面积，增加了流通面积，降低节流程度，使附加阻力减少，使得流量不会因为上下游压差的减小而降低，保持流量不变。因此这种附加节流件有效阻断下游压力扰动对流量的影响，实现了临界流动。除此之外，这种附加节流件还能阻断上游压力扰动对流量的影响。例如，当上游压力增大时，浮子5两端的压差会增大，带动高精度线性弹簧4一起向下移动，缩小流通面积，加大节流程度，从而使附加阻力增加，流量仍维持不变。同样当上游压力降低时，流量也能维持不变。因此浮子-弹簧阻塞体能够像传统不可压缩流体临界流装置在喉口处产生的气穴阻挡层一样随上下游压力的波动而伸长和收缩，改变喉口流通面积，自动调节附加节流件的阻力，这等效于阻断了上下游压力的扰动越过喉口，从而实现了临界流。

参见图1，当要改变本发明装置的临界流量时，除了更换异形孔板2以外，另外比较简单的方式就是通过更换不同强度的高精度线性弹簧4，或者通过弹簧-浮子作用室3的基座3a和帽盖3b之间的螺纹调节两者之间的相对位置，从而改变浮子5的长方体形阻流板5b与异形孔板2的喉口之间的相对位置，使得浮子5进入工作区间之前高精度线性弹簧4的预设拉伸量ｔ发生变化来实现不同的临界流量。

实施例二

如图6所示，是本发明另外一种结构形式的应用机械壅塞原理实现不可压缩流体临界流的装置，其中弹簧-浮子作用室3为一个，布置在圆筒状壳体1单侧，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，四边形为轴对称图形，其有效控制形线S的方程为（2）：

$>y=\frac{Q}{4\alpha \sqrt{2\mathrm{\rho k}/A_0}}{(m-x+t)}^{-1.5},x\in (-m,m)---\left(2\right)$>

在以上各式中，Q为临界质量流量，α为流量系数，ρ为流体密度，k为弹簧的弹性系数，A₀为浮子上半部分的圆柱体5a的横截面积，m为内孔2b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。

本实施例的工作原理为：当圆筒状壳体1内流体流经异形孔板2时，流道收缩，流场会被重塑，此时动能增加，压强降低，这样异形孔板2的上下游之间会产生压力降。异形孔板2上游的高压流体由高压引导通道6导入弹簧-浮子作用室3中的帽盖3b侧。而异形孔板2下游的低压流体则经过低压引导孔7进入弹簧-浮子作用室3中基座3a侧。这样浮子5在圆柱体5a两侧压差力的作用下克服高精度线性弹簧4的拉力发生移动，直到压差力和拉力平衡时，浮子5稳定在某一固定位置。当浮子5受力平衡而高精度线性弹簧4的拉伸量小于预设拉伸量t时，浮子5在径向上随着压差力的大小变化而移动，但未到达异形孔板2的喉口处，此时异形孔板2的喉口面积不变，流量随着上下游压差的增大而增大，随着上下游压差的减小而减小。当浮子5受力平衡而高精度线性弹簧4的拉伸量等于预设拉伸量t时，长方体形阻流板5b移动到异形孔板2的喉口边缘，流体流量达到最大值，即临界流量，开始进入壅塞状态。当浮子5受力平衡而高精度线性弹簧4的拉伸量大于预设拉伸量t时，此时浮子5移动到可以遮挡部分异形孔板2喉口的位置，此时流体流经异形孔板2的喉口面积随着浮子的移动而发生改变。当管道下游压力下降或上游压力增加时，浮子5两端的压差增大，带动高精度线性弹簧4一起伸长，浮子5向圆筒状壳体1中心方向移动，增大了长方体形阻流板5b对异形孔板2喉口的遮挡面积，节流程度增大，从而使附加阻力增加，抵消掉上下游压差增大对流量的影响，流量维持不变。反之当下游压力增高或上游压力下降时，浮子5两端的压差减小，浮子5会在高精度线性弹簧4的作用下向外侧移动，减小了长方体形阻流板5b对异形孔板2的喉口的遮挡面积，降低节流程度，使附加阻力减少，使得流量不会因为上下游压差的减小而降低，保持流量不变，从而实现了临界流。

这种弹簧-浮子阻塞体组成的在装置喉口处的附加节流件，依靠机械的作用随上下游压力的波动而伸长和收缩，不但可以阻断下游的压力扰动，而且还能阻断上游的压力扰动，使流体的流动维持壅塞状态，因而属于一种新的实现临界流的方式。这种壅塞既不要求流速达到音速，也不需要液体降低压力发生汽蚀，而且还能同时阻断上下游压力扰动对流量的影响，因而具有流速低、阻力损失小、无噪音、无振动以及更高的流量控制和测量精度，是解决不可压缩流体临界流问题的一种有效实用的方法。