具有环形稳波槽的扩散段、临界流文丘里喷嘴及设计方法

本发明属于气体流量计量，涉及对气体流量计量喷嘴的技术改进，主要是针对应用在气体流量测量、气体流量标准装置和pvtt法标定系统中的低雷诺数、小喉径的临界流文丘里喷嘴进行技术改进，具体为具有环形稳波槽的扩散段、临界流文丘里喷嘴及设计方法。

背景技术：

1、临界流文丘里喷嘴又称音速喷嘴，是气体流量测量、气体流量标准装置和pvtt法（pvtt法是一种气体质量流量测量方法，其中，p是压力，v是体积、t是温度、t是时间）标定系统中的重要标准器具。临界流文丘里喷嘴的基本结构包括沿气流方向依次设置的收缩段、喉部以及扩散段，其工作原理为：当临界流文丘里喷嘴两端的背压比低于临界背压比时，喉部流速达到音速；当临界流文丘里喷嘴的质量流量在理想情况下不再随下游背压继续降低而改变时形成理想的“壅塞”流动状态，即临界流状态。因此，临界流文丘里喷嘴可作为气体流量量值传递和溯源的重要标准器具。

2、在临界流文丘里喷嘴中，针对低雷诺数（雷诺数re≤2.0×105）、小喉径（喉部喉径dnt≤10.00mm）这一特殊的临界流文丘里喷嘴，由于其边界层相对厚度增大，扩散段内激波诱导的逆压梯度会导致边界层分离，分离后的边界层又反过来改变激波的结构和位置，形成强烈的非线性耦合效应，这种非线性耦合效应使得扩散段内出现λ波等复杂波系区，即出现λ波敏感区，当λ波产生的轴向振荡幅度足够大时，轴向振荡会朝向喉部进行反馈和传播，从而破坏喉部本应维持的声速流场，使喉部流动偏离壅塞状态。

3、当喉部流动偏离壅塞状态时，临界流文丘里喷嘴的质量流量不再保持恒定，而是随时间波动，使得同一临界流文丘里喷嘴在不同时刻的流出系数取值分散，重复性精度大幅下降，出现流出系数的重复性变差的技术问题，影响pvtt标定系统或气体流量标准装置的量值传递准确性。

技术实现思路

1、基于上述背景技术中所描述的，针对低雷诺数、小喉径的临界流文丘里喷嘴，其扩散段会出现λ波敏感区，在λ波敏感区内λ波产生的轴向振荡会向上游喉部进行反馈和传播，使喉部流动偏离壅塞状态，导致出现流出系数的重复性变差的技术问题，影响pvtt标定系统或气体流量标准装置的量值传递准确性，针对该技术问题，本发明提出了具有环形稳波槽的扩散段、临界流文丘里喷嘴及设计方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、具有环形稳波槽的扩散段，应用于雷诺数re≤2.0×105、喉部喉径dnt≤10.00mm的低雷诺数、小喉径临界流文丘里喷嘴，包括扩散段，所述扩散段中存在λ波敏感区，所述λ波敏感区内设置有沿扩散段的原始壁凹陷的环形稳波槽，所述环形稳波槽在扩散段的原始壁上沿周向分布；

4、所述环形稳波槽，用于削弱λ波敏感区内λ波产生的轴向振荡。

5、进一步限定，所述环形稳波槽沿气流方向至少设置一个；

6、每个所述环形稳波槽包括上游圆角过渡段、槽底部和下游圆角过渡段，扩散段的原始壁通过所述上游圆角过渡段与槽底部的一端过渡连接；槽底部的另一端通过下游圆角过渡段与扩散段的原始壁过渡连接。

7、进一步限定，当环形稳波槽的数量超过2个时，相邻两个环形稳波槽的轴向间距满足以下条件：

8、

9、式中，为相邻两个环形稳波槽的轴向间距，单位：mm；为喉部喉径，单位：mm。

10、进一步限定，所述上游圆角过渡段和所述下游圆角过渡段均是由至少两个过渡半径相同的反向曲线连接形成的，所述过渡半径满足以下条件：

11、

12、

13、式中，为过渡半径，单位：mm；为喉部喉径，单位：mm；为环形稳波槽的槽深，单位：mm。

14、进一步限定，所述环形稳波槽的槽深是按照以下公式计算得到的：

15、

16、

17、式中，为λ波敏感区内气体介质的近壁密度，单位：kg/m³；为λ波敏感区内气体介质的轴向速度，单位：m/s；为扩散段内边界层外缘气体介质的密度，单位：kg/m³；为扩散段内边界层外缘气体介质的轴向速度，单位：m/s；为自扩散段原始壁的壁面法向指向流场内部的距离，即壁面法向坐标，单位：mm；为λ波敏感区的横向位置，单位：mm；为边界层位移厚度，单位：mm；为槽深比例系数，无量纲，其中，。

18、进一步限定，所述λ波敏感区是根据各个背压比工况下扩散段壁面静压分布确定的。

19、临界流文丘里喷嘴，所述临界流文丘里喷嘴包括沿气流方向依次连通的收缩段、喉部以及扩散段，所述扩散段是上述具有环形稳波槽的扩散段。

20、临界流文丘里喷嘴的设计方法，包括以下步骤：

21、s1：确定喉部喉径，根据喉部喉径在扩散段上确定λ波敏感区；

22、s2：在所述λ波敏感区内沿扩散段的原始壁设置凹陷的环形稳波槽，所述环形稳波槽在扩散段的原始壁上沿周向分布，形成上述具有环形稳波槽的扩散段；所述环形稳波槽用于削弱λ波敏感区内λ波产生的轴向振荡；

23、s3：将收缩段、喉部以及上述具有环形稳波槽的扩散段沿气流方向依次连通，形成临界流文丘里喷嘴，所述临界流文丘里喷嘴是雷诺数re≤2.0×105、喉部喉径dnt≤10.00mm的低雷诺数、小喉径临界流文丘里喷嘴。

24、进一步限定，所述s1具体包括：

25、s1.1：确定喉部喉径和扩展裕量，并沿扩散段轴向设置i个背压比扫描点；

26、s1.2：确定每个背压比扫描点的流出系数、上游压力和下游压力，根据流出系数、上游压力和下游压力确定低背压稳定区间；

27、s1.3：取至少三个低背压稳定区间的流出系数，计算平均值；

28、s1.4：根据每个背压比扫描点的流出系数和平均值计算流出系数的下降幅度，取流出系数的下降幅度=0.30~0.60的区间作为提前非壅塞风险区间；

29、s1.5：在提前非壅塞风险区间内选取至少j个背压比工况，获取各个背压比工况下扩散段壁面静压分布；根据各个背压比工况下扩散段壁面静压分布按照以下公式确定各个背压比工况下扩散段壁面静压分布的轴向梯度：

30、

31、式中，为各个背压比工况下扩散段壁面静压分布的轴向梯度，无量纲；为各个背压比工况下扩散段壁面静压分布，单位：pa；为各个背压比工况下扩散段壁面静压对应的轴向位置，单位：mm；

32、s1.6：取各个背压比工况下扩散段壁面静压分布的轴向梯度作为各个背压比工况下扩散段λ波的轴向位置；

33、s1.7：根据各个背压比工况下扩散段λ波的轴向位置以及扩展裕量按照以下公式确定扩散段λ波敏感区的边界最小值和边界最大值：

34、

35、

36、式中，为扩散段λ波敏感区的边界最小值，单位：mm；为扩散段λ波敏感区的边界最大值，单位：mm；为各个背压比工况下扩散段λ波的轴向位置，单位：mm；为扩展裕量，单位：mm；

37、s1.8：根据扩散段λ波敏感区的边界最小值和边界最大值确定λ波敏感区。

38、进一步限定，所述s1.2中的每个背压比扫描点的流出系数是根据数值模拟的方式确定的；

39、所述s1.2中，低背压稳定区间是指背压比且流出系数波动的区间；其中，背压比和流出系数波动按照以下公式计算：

40、

41、

42、式中，为背压比，无量纲；为第i个背压比扫描点的下游压力，单位：pa；为第i个背压比扫描点的上游压力，单位：pa；为流出系数波动，无量纲；为第i个背压比扫描点的流出系数，无量纲；为i个背压比扫描点流出系数的平均值，无量纲。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

44、1）本发明具有环形稳波槽的扩散段，其针对雷诺数re≤2.0×105、喉部喉径dnt≤10.00mm的低雷诺数、小喉径临界流文丘里喷嘴，在扩散段上的λ波敏感区内设置扩散段的原始壁凹陷的环形稳波槽，即通过环形稳波槽改变扩散段的λ波反射条件，削弱λ波向上游反馈的能量，从而利用该环形稳波槽削弱扩散段内λ波产生的轴向振荡，确保喉部流动不会偏离壅塞状态。

45、2）本发明具有环形稳波槽的扩散段，其环形稳波槽的槽底部两端分别通过上游圆角过渡段和下游圆角过渡段与扩散段的原始壁过渡连接，且上游圆角过渡段和下游圆角过渡段均是由至少两个过渡半径相同的反向曲线连接形成的，即采用圆角过渡连接，以使环形稳波槽的两端不形成锐边或突变台阶，降低气体介质流动过程中的压降损失。

46、3）本发明临界流文丘里喷嘴，其上的扩散段是具有环形稳波槽的扩散段，通过环形稳波槽改变扩散段的λ波反射条件，削弱λ波向上游反馈的能量，从而利用该环形稳波槽削弱扩散段内λ波产生的轴向振荡，使得低雷诺数、小喉径的临界流文丘里喷嘴质量流量和流出系数保持恒定，从而确保对pvtt标定系统或气体流量标准装置的量值传递准确性。

47、4）本发明临界流文丘里喷嘴的设计方法，其先根据背压比和流出系数波动确定低背压稳定区间，接着根据低背压稳定区间的流出系数确定提前非壅塞风险区间，再利用提前非壅塞风险区间内各个背压比工况下扩散段壁面静压分布确定各个背压比工况下扩散段λ波的轴向位置，根据各个背压比工况下扩散段λ波的轴向位置确定扩散段λ波敏感区的边界最小值和边界最大值，最后根据扩散段λ波敏感区的边界最小值和边界最大值确定λ波敏感区，使得λ波敏感区精准覆盖了λ波在风险背压比区间，确保环形稳波槽产生的局部微扰动（涡旋或压力缓冲）能够直接作用于λ波根部与边界层分离区的强耦合点，有效削弱了激波向上游喉部传播的反馈能量，从而减弱了流出系数的周期性波动，提升低雷诺数、小喉径临界流文丘里喷嘴标定的重复性精度。