气体流经调节阀时的变化与流道截面积的关系

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发布时间：2022/11/2

气体介质因为其固有的特性——可压缩性，在阀门的流动中不同于液体。比如在节流过程中，因为在节流孔口处强烈的扰动和涡流，导致能量分布的不均，容易产生噪声。本文主要讨论气体在流经阀门设备时参数的变化与流道截面积的关系，以及流动过程中气体能量的传递、转换等问题。

1 绪论
工程中，常见的气体流动都是稳定流动或接近稳定的流动。同时任何一个截面上任一点的流速、压力、温度参数也均不相同。且工质在流动中可能与外界交换热量。上述过程是及其复杂的，为了简化问题的研究，考虑到工程中气体快速地通过阀门，认为来不及与阀门进行热交换。同时取各截面某参数的平均值作为该截面上各点参数的值，因此把气体工质的流动看作不可逆的一维绝热稳定流动。

2 能量守恒方程
由热力学定律，在开口系统稳定流动的能量微分表达式为：

忽略重力的作用，也不考虑对阀门做功。同时，考虑到流体和阀门的摩擦作用、流动中流体克服摩擦力做的功转化为热量，而这部分热量又重新被加入到流动的流体中。上式简化为：

很显然，克服摩擦消耗的功δw摩擦和由它转换的热量δq吸是相等的，而δq为与外界交换的热量，对于绝热流动，该值为0，即有

对上式进行积分，因此，沿流动方向任意截面应满足

3 截面参数变化
根据参考文献1，可以得出绝热等熵流动中参数变化的相对关系。见以下公式：

其中：v为比体积
c为流速
A为截面积
к为比热比系数
虽然上述公式是由绝热等熵流动推出，但对于绝热流动的截面参数变化分析具有指导意义。由以上三个公式可以看出，参数的变化与气体的马赫数有关。当气体介质进入阀门时，处于亚声速流动。在通过节流口处(见图1)，因为面积减小，流速会增加，压力降低，比体积增加，介质膨胀。通过节流口后，流通面积变大，流速降低，压力恢复，比体积减小，介质压缩。但因为在阀门节流口处的摩擦导致的能量转换，压力已不可能恢复到阀前压力。流出阀门后，相比较阀前状况，阀后压力减小，流速有一定增加，介质密度有一定减小。

图1

如果在节流口处的面积减小得足够小，流速有可能增加到声速。此时，整个阀门的质量流量达到大值。若此时进一步增加面积，则气体膨胀至超音速，压力进一步降低。有可能产生较大的噪音。但质量流量不再增加。这种情形即是气体选型时碰到的阻塞流情形。对于多级降压的阀内件结构，尤其要注意这种流速增加的状况。因为多级降压内件通常被设计成如下的形式(见图2)。通常外面的套筒面积较大，然后减小，到里层套筒的面积小。这种从外到里流的设计方式对于液体工况来讲效果很好，它有效地加大了阻尼，降低了压差。但是对于气体工况来讲，效果却恰恰相反。由于节流面积逐级不断收缩，气体不断加速，压力不断降低，密度持续减小，介质不断膨胀，有可能被膨胀至音速甚至超音速。此时，会引起很强的振动。因为振动的强弱是和流速的平方成正比的。轻者引起噪音很大，重者甚至能破坏管道。因此对于多级降压结构来讲，气体流向应当从里往外流。先让气体节流降压，然后逐渐适度压缩，以控制内部的流速。防止振动的影响(见图2)。

图2

根据参考文献3，对一维绝热等熵流动，有如下公式成立：

其中：pcr为流速达到当地声速时的介质压力
p0为当介质速度减为0时的介质压力，称为滞止压力，也成为总压力，是一个理论值
vcr为临界压力比
к为比热比系数
上式表明了当流速达到当地声速时，即是质量流量达到大时，也就是出现阻塞流的时候的压力比值，这个比值只与工质性质有关。现列举几个常见的数值，见表1：

气体	双原子气体	过热蒸汽	干饱和蒸汽
к	1.4	1.3	1.135
vcr	0.528	0.546	0.577

从上表可以看出，气体性质虽然不同，但临界压力均约等于0.5。考虑到工程中误差的允许范围，这就是气体工况选型中的判定阻塞流的认定条件：阀后压力/阀前压力≥0.5时，认为会出现阻塞流。

4 节流后温度的变化
气体通过阀门节流过程中的温度变化比较复杂，节流后温度可能会降低，可能会升高，也可能不变。要判定节流后温度的变化情况，需要判定介质的焦耳—汤姆逊系数μJ，该系数是表征在焓值不变的情况下温度对压力的微分关系。由参考文献2提供的曲线图可知(图3)：

图3

在转回曲线和温度轴内部包含的区域，μJ>0，称为冷效应区。阀前温度处于该区域内的气体介质，节流后温度会降低。且压差越大，温度下降得越低；而在转回曲线和温度轴外部包含的区域，μJ<0，称为热效应区。阀前温度处于该区域内的气体介质，节流后温度会升高；若阀前温度刚好处于转回曲线上，则通过阀门节流后温度不变。实际上大多数的气体经节流后温度都会降低，只有少数气体，如H2和He在常温下节流后的温度会升高。例如天然气的液化就是利用该特性来进行的。

5 总结
本文仅对工程中气体通过阀门的一些流动特性及工程选型的一些注意事项进行了定性分析。由于介质通过阀门时高度摩擦，强烈的扰动以及大量的涡流，处于度不平衡状态，因此无法进行很具体的计算分析，只能借助CFD(计算流体力学)软件来进行分析，结合实际工况经验联合判断。