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极小流量音速孔板流量特性的研究
王建中1 党志勇2
1.中国计量科学研究院,北京1000132.北京北广电子集团公司,北京100012
摘 要 本文介绍极小口径空气流量音速孔板的流量特性。对形成临界流的条件进行了分析计算,给出了一维
流量分析计算,二维,三维流场CFD计算云图及马赫数,克努森数的分布云图.给出了结构优化方案。
直径≤10μm,长度≥100μm,质量流量最小4×10-8kg/s.
关键词 计量;流量;流量计量;孔板
AStudyontheFlowCharacteristicsofExtremelyLowVolumeFlowSonic
Orifice
JianzhongWang1 ZhiyongDang2
1.NationalInstituteofmetrology,Beijing100013,China;2.BeiguanElectronicGroupInc.Beijing100012,China
Abstract: Thisarticleintroducestheflowcharacteristicsofextremelysmalldiameterairflowsonicorifice.Itperformed
calculationsofsonicconditionsoftheformationofcriticalflow,gaveananalyticalcalculationof2-D,3-Dflow
fieldCFDcalculationcloudchart,andMachNumber,KnudsenNumberdistributioncloudchart.Itgavethedesign
optimizationmethod.Diameterlessorequalto10 μm,lengthgreaterorequalto100μm.Minimalmassflowrate
4e-8kg/s.
Keyword: Metrology;Flow;Flowmeasurement;Orifice
2010年全国流量测量学术交流会论文集
B,3—3到5—5是轴对称锥管,锥角为Q;5.5到4.4
是等截面直管,是音速孔板的工作段,管长为L,
u
管径为d(直径10m),;4.4到2.2是等截面出口
圆管。人口处马赫数M≤1,相应参数是P0,v,, Ⅵ
T0,由设计保证;经过锥管加速,锥管出口达到马 一Dl
赫数等于1;进入4—4管入口截面,达到马赫数M T
≥l;达到出口管2.2截面时马赫数小于1,对应
参数是P。,V:,T。。气体由亚音速进入经过锥管加
速,再经过有摩擦的直管减速。其间假定为①一维
流动;②等熵;③连续;④完全气体流动;⑤无功 图一1音速孔板示意
率和热量交换。在此假设下,利用连续方程,动量
方程,能量方程,状态方程推导出流量公式。在此流量公式基础上探讨影响流量的因素,分
析误差。
音速孔板是建立在等截面圆管绝热有摩擦的流动模型上的。决定孔板流动能否出现临界
流有多个因素,①临界压力比(出口压力P。比进口滞止压力P。);②流体和边界间的摩擦,
由于摩擦必须具有的管长;③进出口几何形状(包括粗糙度);④微观流动弛豫(主要是振
动弛豫)能量;⑤克努生数;⑥雷诺数;⑦马赫数;⑧普朗特数等。出现临界流的充分必要
条件是在孔板工作段进出口间,存在马赫数M等于1的流动。
(1)流量公式㈣17】[6]
取l—l,2.2截面,其间管壁到两截面间为控制体,根据流动诸方程f假定保持连续,绝
热,绝能),根据气体动力学原理导出的流量公式为式(1)
旷q√焉慨(等尸2·竿 ㈣
式中,o是流出系数;m是分子量;R是通用气体常数;瓦是孔板前滞止温度;R是
孔板前滞止压力;尼是气体等熵指数:d是孔板孔径。
(2)临界压力比
已经设定流动是绝热绝能的。出口背压
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