氣體通過調節閥控製（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
閥門的流動中不（bú）同於液體。比如在節流過程中，因為在節流孔口處強烈的擾動（dòng）和渦流，導致能量分布的不（bú）均，容易產生噪聲。本文主要討論氣體（tǐ）在流經閥門設（shè）備時參（cān）數的變化與流道截麵積的關係，以及流動過程中氣體能量的傳遞、轉換等問（wèn）題。
關鍵詞：可壓縮性（xìng）；能量轉換；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（huò）接近穩定的流動。同時任何一個（gè）截麵上任一（yī）點的流速（sù）、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（rè）量。上述過程是及（jí）其複雜的，為了簡（jiǎn）化問題的研究，考（kǎo）慮到工程中氣體快（kuài）速地通過閥門，認為來不及與閥門進行熱交（jiāo）換。同時取各截麵某參數的平均值作為該截麵上各點參數的值，因此把（bǎ）氣體工質的流動看作不可逆的一維絕熱穩定流動。
2能（néng）量守恒（héng）方（fāng）程
由熱力學定律，在開口係統穩定流動的能量微分表達（dá）式為：

忽略重力的作用，也不考（kǎo）慮對閥門做功。同（tóng）時，考慮到（dào）流體和閥門的摩擦作用、流動中流體克服摩擦力做的功轉化為熱量（liàng），而這部分熱量又重（chóng）新被加入到流（liú）動的流體中。上式（shì）簡化（huà）為：

很顯然，克服摩擦消耗的功δw摩擦和由它轉換的熱（rè）量δq吸是（shì）相等的，而δq為與外（wài）界交換的熱量，對於絕熱流動，該值為0，即（jí）有

對上式進行積分，因此，沿流動方向任（rèn）意截麵應（yīng）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（shù）變化的相對（duì）關係（xì）。見以下公式（shì）：



其中：v為比體積
c為流速
A為截麵積
к為（wéi）比熱比係數
雖然上述公式是由絕熱等熵流動推出，但對於絕熱流動的截麵參數變化分析具有指導（dǎo）意義。由以上三個公式可以看出，參數的（de）變化與氣（qì）體的馬赫數有關。當氣體介質進入閥（fá）門時，處於亞聲速流動。在通（tōng）過節流口（kǒu）處(見圖1)，因為（wéi）麵積減小（xiǎo），流速會增（zēng）加，壓力（lì）降低，比體積增加，介質膨脹。通過節流口後，流通麵（miàn）積變（biàn）大，流速降（jiàng）低，壓力恢複，比體積減小，介質壓（yā）縮。但因為（wéi）在閥門節流口處的摩擦導致的能量轉換（huàn），壓力已不可能恢（huī）複到閥前壓力。流出閥門後，相比較閥前狀況，閥後（hòu）壓力減小，流速有一定增加，介質密度有一定減小。

圖1
如果在節流口處的麵積減小得足（zú）夠（gòu）小，流速有可能增加到聲速。此時，整（zhěng）個閥門的質量流量達到大值。若此時（shí）進一步增加麵積，則氣（qì）體膨脹至超音速，壓力進一步降低。有可（kě）能產生較大的噪音（yīn）。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（liú）情（qíng）形。對於多級降壓的閥內件結構，尤其要注意這種流速增加的（de）狀況。因為多級降壓內件通常被設計成如下的形式（shì）(見圖2)。通常外麵的套筒麵積較大，然後減小，到裏層套筒的麵積小。這（zhè）種從外（wài）到裏流的設計方式對於液體工（gōng）況來講效果很好，它有效地加大了阻尼，降低了壓差。但是對於氣體工況來講，效果卻恰恰相反。由於節（jiē）流麵積（jī）逐級（jí）不斷收縮，氣體不斷加速，壓力不斷（duàn）降低，密度（dù）持續減小（xiǎo），介質不斷膨脹，有可能被膨脹（zhàng）至音（yīn）速甚至超音（yīn）速。此時，會引起很強的振動。因為振（zhèn）動（dòng）的強弱是和流速的平方成正比的（de）。輕者引起噪音很大，重（chóng）者甚至能破壞管道。因此對（duì）於多級（jí）降壓結構來講，氣體（tǐ）流向（xiàng）應當從裏往外流。先讓（ràng）氣體節流降壓，然後逐漸（jiàn）適度壓縮，以控製內部的流速。防止振動的影響(見圖2)。

圖2
根據參考文獻（xiàn）3，對一（yī）維絕熱等（děng）熵流動，有如下公式成立：

其中：pcr為流速達到當地（dì）聲速時的介質壓力
p0為當介質速度減為0時的介質壓力，稱（chēng）為（wéi）滯止壓力，也成為總壓力，是一個理論值
vcr為臨界壓力（lì）比
к為（wéi）比熱比（bǐ）係數
上式表明了當流速達到當地聲速時，即是質（zhì）量流量達到（dào）大時，也就是浮現（xiàn）阻塞流的時（shí）候的壓力比值，這個比值隻與工質性質有關。現列舉幾個常見（jiàn）的（de）數值，見表1：