氣體通過（guò）調節閥控製（zhì）閥門的特性
摘要：氣體介質因為其固有的特性——可壓縮性，在
閥門（mén）的流動中不同於液體。比（bǐ）如在節（jiē）流過（guò）程中（zhōng），因為（wéi）在節流孔口處（chù）強烈的（de）擾（rǎo）動和渦流，導致能量（liàng）分布的不均，容易產生噪（zào）聲。本文主要（yào）討論（lùn）氣體在流經閥門設備時參數的變化與流道截麵積的關係，以及（jí）流動過程中氣體能量的傳遞、轉換等問題。
關鍵詞：可壓縮性；能（néng）量轉換；噪音；
控製閥
1緒論
工（gōng）程中，常見的氣體流動都是穩定流動或接近穩定的流（liú）動（dòng）。同時任何一個截麵上任一點的流（liú）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。上述過程是及其複（fù）雜的（de），為了簡化問題（tí）的研（yán）究，考慮到工程中（zhōng）氣體快（kuài）速地通過閥門，認為來不及與閥門進行熱交換。同（tóng）時（shí）取各截（jié）麵某參數的平均值作為該截麵上各點參數的值，因此把氣體工質的流動看作不可逆（nì）的一維（wéi）絕熱穩定流動。
2能（néng）量守恒方程
由熱力學定（dìng）律，在開口係統穩定流（liú）動的（de）能量微分表達（dá）式為：

忽略重力的作用，也不考慮對閥門做功（gōng）。同時，考慮到流體和閥門的摩擦作用、流動中流體克（kè）服（fú）摩擦力（lì）做的功轉化為熱量，而這部分熱量（liàng）又重新被加入到流（liú）動的流體中。上（shàng）式簡化為：

很顯然，克服摩擦消耗的功δw摩擦和由（yóu）它轉換的熱量δq吸是相等的，而δq為與外界交換的（de）熱量，對於絕熱流動，該（gāi）值為0，即有

對上式進行積分，因（yīn）此，沿（yán）流動方向任意截麵應滿意

3截麵參數變化
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係（xì）。見以下公式：



其中：v為比體積（jī）
c為（wéi）流速（sù）
A為截麵積
к為比熱（rè）比係數
雖然上述公式是由絕熱等（děng）熵流動推出，但對於絕熱流動的截麵參數變化分析具有（yǒu）指導意義。由以上三個公式可以看出，參數的變化（huà）與氣體的馬赫數有關。當氣體介質進入閥門時，處於亞聲速流動。在通過節流口處(見圖1)，因為麵積減小，流速會增加，壓力降（jiàng）低，比體積增加，介質膨（péng）脹。通過節流（liú）口後，流通麵積變（biàn）大，流速降低，壓力恢複，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（yā）力已不可能恢複到閥前壓力（lì）。流出閥門後，相比較閥前狀況，閥後壓力（lì）減小，流速有一定增加，介質（zhì）密（mì）度有一定減小。

圖（tú）1
如果（guǒ）在節流口處的麵積減小得足夠小，流速有可能增加到聲速。此時，整個閥門的（de）質量流量達到大（dà）值。若（ruò）此時進一步增（zēng）加麵（miàn）積，則（zé）氣體膨脹至（zhì）超音（yīn）速，壓力進一步降低。有可能產生較大的噪音。但質量流量不再增加。這種情形即是氣體選型時遇到的阻塞流情形。對於多級降壓的閥內件結構，尤其（qí）要注意這種流速增加的狀況。因為多級降壓內件通常被設計成如下的形式(見圖2)。通常外麵的套（tào）筒麵積較大，然後減小，到裏層套筒的麵積小（xiǎo）。這種從外到裏流的設計方式對於液體工況來講效果很（hěn）好，它有效地加大了阻尼，降低了壓差（chà）。但是（shì）對於氣體工況來講，效果卻（què）恰恰相反。由於（yú）節流麵積逐級不斷收（shōu）縮，氣體不斷加速，壓力不斷降低，密度持續減小，介質不斷膨脹，有可能被膨脹至音（yīn）速甚至超音速。此時，會引起很強的振（zhèn）動。因為振動的強弱是和流速（sù）的平方成正（zhèng）比的。輕者引起噪音很大，重者甚至能破壞管道。因此對於多級降壓結構來講，氣體流向應當從裏往外流。先讓氣體節流降壓，然後逐漸適度壓縮，以控製內部的流速。防止振動的影響(見圖2)。

圖（tú）2
根據（jù）參考（kǎo）文獻3，對一維（wéi）絕熱等熵流動，有如下公式成立：

其中：pcr為流（liú）速達到（dào）當地聲（shēng）速時的介質壓力
p0為當介質（zhì）速度減為0時的介（jiè）質壓力，稱為（wéi）滯止壓力，也（yě）成為總壓力，是一個（gè）理論值
vcr為臨界壓力比
к為比熱比（bǐ）係數
上式表明了當流速達到當地聲速時（shí），即是質量流量達到大時，也就是浮現阻塞流的時候的壓力比值，這個比值隻與工質性質有關。現（xiàn）列舉幾個常見的數值，見表1：