临界流文丘里喷嘴数值模拟及优化设计

临界流文丘里喷嘴算法及比较作者：冯春辉来源：《大东方》2019年第10期摘要：针对标准规程中喷嘴质量流量的具体计算方法未明确给出，结合实际介绍了临界流文丘里喷嘴质量流量计算的常用算法，算法中明确了各参数具体的计算步骤，指明计算中参数使用注意事项，防止在计算中出现错用造成计算结果误差，对参与质量流量计算中个别参数的其他算法进行论述，分析算法间结果数据的差异。

关键词：喷嘴;流出系数;临界流函数0 引言临界流文丘里喷嘴由于其性能稳定、结构简单、计量精度高等特点，通常被作为实流高压气体的次级标准装置，用来校准工作级传递标准或高准确度的被检流量计，针对临界流文丘里喷嘴流量计算算法相对复杂且较多，规程中计算方法与实际使用的往往不符及标准规程算法未具体明确，本文结合GB/T21188《用临界流文丘里喷嘴测量气体流量计》[1]，GB/T21446《用标准孔板流量计测量天然气流量》[2]以及流量计检定站系统内常用算法，对临界流文丘里喷嘴的算法和注意事项进行简要介绍，对参与质量流量计算中个别参数的其他算法进行介绍，并对算法结果差异进行比较。

1 临界流文丘里喷嘴质量流量计算临界流指达到临界压力比时，流过喷嘴的气体质量流量达到最大，气体在喉部达到当地音速，此时的流动称为临界流。

进一步降低背压比，通过喷嘴的质量将保持不变。

临界流文丘里喷嘴质量流量计算方法较多，目前在各检定站通常采用以下方法计算质量流量，在已知：气体组分;上游直管段内径D20及材质，喷嘴喉部直径d20及材质（D20和d20通过几何检定可知）;上游绝对压力P1，上游绝对温度T1（变送器直接测量获得的绝对压力和绝对温度）情况下，按照实际条件下临界流量的计算公式计算，公式为：1.1 Ant喷嘴喉部横截面积计算由于温度会引起金属材质变形，因此在实际计算中需要考虑温度对上游直管段內径及喉径的影响，计算公式如下：3 计算实例例：普通加工圆环形喷嘴计量管路上游变送器数值为：P1=8.60185Mpa，T1=27.68971℃，上游管道材质为20#钢（线膨胀系数为11.16*10-6mm/（mm·℃）），喉部为10#钢（线膨胀系数为11.6*10-6mm/（mm·℃）），该喷嘴的标称体积为410m3/h;根据校准证书知喉径d20=25.1314mm，上游直管段内径为D20=106mm;根据校准证书雷诺数和流出系数证书拟合的a=0.998549842，b=11.21282265，n=0.5;4 结论从以上的讨论和分析中可以得出以下结论：（1）从文中算法的比较可以看出使用不同方法计算喷嘴质量流量时，算法差异会造成结果间存在明显偏差。

临界流文丘里喷嘴数值模拟及优化设计引言文丘里喷嘴是一种能够将液体或气体加速至高速的装置，被广泛应用于航空航天、化工、汽车等领域。

在实际工程中设计喷嘴时，需要考虑各种因素，如流体性质、喷嘴结构、流场特性等。

在这些因素中，流场特性是一个重要的指标，它直接影响着喷嘴的性能。

对喷嘴的流场进行数值模拟并进行优化设计，能够帮助工程师们更好地理解喷嘴的工作原理，为喷嘴的性能提供优化设计方案。

本文将介绍临界流文丘里喷嘴数值模拟及优化设计的方法与结果。

一、文丘里喷嘴的基本原理文丘里喷嘴是一种流体动力学装置，通过喷口的几何形状和喷口内部压力的变化，使流体在喷口内获得一个足够大的动能。

其工作原理基于质量守恒定律和动量守恒定律，在理想状态下，文丘里喷嘴内部的流动是定常、非粘性、不可压缩、无旋转、均匀的。

喷嘴内部流动的动态特性决定了其性能，因此研究喷嘴内部流场对于优化设计具有重要意义。

二、数值模拟的方法为了研究文丘里喷嘴的流场特性，数值模拟成为一种高效、经济、有效的研究方法。

在进行数值模拟时，首先需要建立喷嘴的几何模型，包括喷口的形状、尺寸和边界条件等。

然后利用计算流体力学（CFD）软件，通过求解流动的连续性方程、动量方程和能量方程，来模拟喷嘴内部的流动。

数值模拟可以得到喷嘴内部的流动速度、压力、温度和其他流场参数，进而分析流动特性。

在模拟过程中，需要对网格划分、边界条件的设置和求解算法的选择进行合理的设置，以保证模拟结果的准确性。

三、数值模拟的结果通过数值模拟，我们得到了文丘里喷嘴内部的流场分布。

通过对模拟结果的分析，我们可以看到在喷嘴的进口处流速较低，压力较高，而在喷嘴的收敛段速度逐渐增加，压力逐渐降低。

在喷嘴的喉部，流速达到最大值，压力最小。

接着在扩散段流速逐渐减小，压力逐渐增加。

最终，在喷嘴出口处流速逐渐增加，压力逐渐降低。

除了流速和压力之外，我们还可以得到喷嘴内部的其他流场参数，如温度、密度等，这些参数对于喷嘴的设计和性能分析都具有重要的作用。

临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置（Critical Flow Venturi Nozzle Gas Flow Standard Device）一、引言临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置是一种用于测量气体流量的标准装置。

它基于临界流原理和文丘利喷嘴法进行设计和制造，用于提供准确、可靠的气体流量标准。

本文将详细介绍该装置的结构、原理、制造和使用方法等。

二、结构和原理1. 结构临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置由三个主要部分组成：压力源、喷嘴和流量计。

压力源用于提供一定范围内的恒定压力，喷嘴是由一组收缩和扩散截面构成的管道，流量计则用于测量通过喷嘴的气体流量。

2. 原理临界流文丘利喷嘴法基于流体动力学原理，通过控制气体的压力和温度，使气体达到临界流状态，即喷嘴入口部分的流速等于声速。

在临界流状态下，气体的密度变化可忽略不计，从而实现了气体流量的准确测量。

三、制造过程临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置的制造过程主要包括以下几个步骤：1. 装配压力源：选择合适的压力源，如气缸压力表等，按照设定要求进行装配和连接。

2. 制作喷嘴：根据设计要求，制作喷嘴的收缩和扩散截面。

一般采用不锈钢材料，通过机械加工或激光切割等方法进行加工。

3. 制作流量计：选择合适的流量计，如差压传感器、质量流量计等，根据设定要求进行装配和连接。

4. 装配喷嘴和流量计：将制作好的喷嘴和流量计按照设计要求进行装配和连接，确保喷嘴和流量计间的密封性。

5. 调试和校准：进行装置的调试和校准工作，包括确定恒定压力源的压力范围、校准流量计的准确度等。

四、使用方法使用临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置进行气体流量测量时，需要按照以下方法操作：1. 连接气体源：将待测气体源连接至喷嘴的入口处，确保连接牢固，无泄漏。

2. 设定压力：根据测量要求，设定合适的压力源压力，并稳定一段时间，使气体进入恒定流动状态。

3. 测量流量：通过流量计测量喷嘴出口的气体流量，并记录。

大庆油田油气水计量检定站作为大庆油田企业流量最高计量机构，在用的临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置，投产于2012年，受限于当时的技术条件，检定效率渐显疲软，已无法满足现今的检定工作。

油气水计量检定站通过与中国测试技术院合作，分析影响装置检定效率的因素，并对装置进行优化改造。

装置通过一年的运行，真正实现了节能降耗和提质增效的目的。

临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的改造与优化向丽萍陈淼黄奕欣陈迪平（中国测试技术研究院流量研究所）摘要：因大庆油田油气水计量检定站临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置整体检定效率低下，经过研究与分析，提出该装置整体技术水平受技术条件局限和年限制约，存在影响检定的六类问题。

针对相应问题，通过采取气环泵和水环泵配合使用、改变变频器使用方式、填装自检漏系统、增加待检仪器吹扫设备、加装自动连接装置、加装高清摄像头、改进上游实验管段、增加水循环系统等九个方法对临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置进行改造和优化。

改造后，装置整体检定效率提高57%，同时，经过改造，还达到年节电约10×104kWh 的效果，年节省电费15万元以上。

关键词：气体流量标准装置；变频器；自检漏系统DOI :10.3969/j.issn.2095-1493.2023.03.010Transformation and optimization of gas flow standard device for critical flow venturi nozzleXIANG Liping，CHEN Miao，HUANG Yixin，CHEN DipingFlow Research Institute of National Institute of Measurement and Testing TechnologyAbstract：Due to the low overall calibration efficiency of gas flow standard device for critical flow venturi nozzle at the oil and gas water metrology calibration station of Daqing oilfield，the overall tech-nical level of the device，through the research and analysis，is proposed to be limited by technical con-ditions and annual restrictions with the six types of problems that affect calibration．In view of the cor-responding problems，the gas flow standard device of critical flow venturi nozzle was transformed and optimized by adopting nine methods that are composed of using a gas ring pump in conjunction with a water ring pump，changing the way to use frequency converter，filling in self-testing leak system，adding the instrument purging equipment to be tested，retrofitting the automatic connection devices，adding the HD camera，improving the upstream experimental pipe section and adding the water circu-lation system．After the modification，the overall calibration efficiency of the device has increased by 57%．At the same time，through the transformation，the annual electricity saving is about 10×104kWh and the annual electricity cost is saved over 150000yuan ．Keywords：gas flow standard device；frequency converter；self-testing leak system第一作者简介：向丽萍，高级工程师，2007年硕士毕业于西南交通大学（电气工程学院），从事流量计量技术研究，136****7260，***************，四川省成都市成华区玉双路10号，610021。

临界流文丘里喷嘴数值模拟及优化设计摘要：本文研究了文丘里喷嘴的临界流问题，通过数值模拟，分析了文丘里喷嘴的流动特性和临界流现象，并对其进行优化设计。

本研究结果表明，通过优化文丘里喷嘴的结构参数，可以使其在获得更大的临界流时降低喷射噪声和振动。

一、引言文丘里喷嘴是一种常用于气体喷射、推进器和火箭喷口中的零件。

在喷射过程中，喷嘴的流动特性对喷射效果有着很大的影响。

其中，文丘里喷嘴的临界流问题一直是研究的热点之一。

临界流现象通常会导致喷射噪声和振动，影响喷射效果和使用寿命。

因此，有必要对文丘里喷嘴的临界流问题进行深入研究和优化设计。

二、数值模拟方法本研究采用计算流体力学（CFD）方法对文丘里喷嘴的流动特性进行数值模拟。

首先，建立了文丘里喷嘴的三维模型，并利用FLUENT软件对其进行数值计算。

采用标准的k-ε湍流模型对喷嘴内的流动进行计算，同时考虑喷嘴壁面粗糙度对流动的影响。

计算过程中，设置喷嘴入口压力和温度，以得到喷嘴内的流场分布和临界流参数。

基于数值模拟结果，得出了文丘里喷嘴的流场分布和临界流现象。

其中，临界流速度为510m/s，喷射流的最大速度为732m/s。

同时，模拟得到了临界流下的压力和温度变化趋势，表明在临界流状态下，压力和温度显著增加，会导致喷射噪声和振动的增加。

四、优化设计基于数值模拟结果，本研究对文丘里喷嘴的结构参数进行了优化设计。

主要采用了以下两种方法：（1）设计喷嘴的进流道段，采用曲面形式，使流体流入后形成过渡段，减少流体的湍流强度和压力波动。

（2）设计喷嘴的出流道段，使出口处流道逐渐扩张，减少喷射噪声和振动。

通过优化设计，将文丘里喷嘴的临界流速度提高到550m/s，同时有效降低了喷射噪声和振动水平，提高了喷射效果和使用寿命。

五、结论。

临界流文丘里喷嘴数值模拟及优化设计临界流文丘里喷嘴是一种常见的流体控制装置，广泛应用于工业生产和科研领域。

在喷嘴设计和优化过程中，数值模拟是一种有效的工具，可以帮助工程师们快速地理解和优化喷嘴的性能。

本文将详细介绍临界流文丘里喷嘴的数值模拟及优化设计过程，并通过案例分析展示其实际应用价值。

一、临界流文丘里喷嘴数值模拟原理临界流文丘里喷嘴是一种能够将压力能转化为动能的装置，其工作原理是通过喷嘴的收缩部分将流体加速至超声速，从而产生高速的气流。

在数值模拟中，常用的方法是通过计算流体动力学（CFD）模拟喷嘴内部的流场，以获得喷嘴的流动特性和性能参数。

在模拟中，需要考虑喷嘴的几何结构、流体密度、温度、速度等参数，以确保模拟结果的准确性。

二、临界流文丘里喷嘴数值模拟优化设计方法1. 建立模型：首先需要根据实际喷嘴的几何结构建立数值模拟模型，包括喷嘴的入口、出口、收缩段和扩散段等部分。

2. 设定边界条件：根据实际工况设定模拟的边界条件，包括流体的入口速度、出口压力、喷嘴表面的壁面条件等。

3. 求解流场：利用CFD软件对模型进行流场的数值求解，得到喷嘴内部的流速、压力、温度等参数分布。

4. 分析与优化：根据数值模拟结果，分析喷嘴的流场特性和性能参数，通过调整喷嘴的几何结构或流体参数进行优化设计，以提高喷嘴的效率和可靠性。

三、临界流文丘里喷嘴数值模拟优化设计案例分析以某工业设备中的临界流文丘里喷嘴为例，进行数值模拟优化设计分析。

该喷嘴的工作流体为高温高压气体，需要在限定的空间中提供足够的动能以满足工艺需求。

通过以上案例分析可见，临界流文丘里喷嘴的数值模拟优化设计在工程实践中具有重要的应用价值，可以帮助工程师们快速地理解喷嘴的流动特性和性能参数，并提出有效的优化方案。

在实际工程中，数值模拟可以大大缩短设计周期，降低试验成本，提高产品设计的准确性和可靠性，对于提高工程设计的效率和质量具有重要意义。

浅谈临界流文丘利喷嘴在气体流量计量中的实际应用临界流文丘利喷嘴（以下简称喷嘴）在国内的研究始于上世纪70年代，ISO于1983年公布了喷嘴的标准草案。

经过多年的研究与发展，喷嘴以其结构简单、性能稳定、体积小、没有可动部件、气源既可用高压也可用负压方式、作为流量计量标准既可离线也可在线使用，以及准确度高等特点而受到国内流量行业的广泛注意。

尤其是1990年ISO 9300的公布和JJG 620-1994的施行，使其发展更为迅速。

近年来喷嘴不仅作为试验室的气体流量标准，而且在天然气流量计量中作为在线标准进行现场校准也发挥了积极作用。

一、临界流文丘利喷嘴的基本原理1.原理临界流文丘利喷嘴是个孔径逐渐减小的流道，孔径最小的部分称为喉部，在喉部的后面有孔径逐渐扩大的流道。

喷嘴可随着其下游扩大管长度的不同可得到不同的临界压力比，最大可以达到0.9。

当气流通过喉部时气流速度可达到音速，此时马赫数等于1，流量只与上游压力有关（与下游压力无关），流出系数只与雷诺数有关。

所以适合于作为气体流量计量标准使用。

2.数学模型在理想条件下，理论上可以导出喷嘴的质量流量q为q=AC（1）式中：A———喷嘴喉部的内截面积；R———气体常数；C———理想条件下的临界流函数。

C=（）（2）式中：P———喷嘴前的气体滞止压力；T———喷嘴前的气体滞止温度；r———比热比。

在实际条件下喷嘴的质量流量q为q=ACC（3）式中：C———实际气体的临界流函数，它是假定气体为一维等熵流动的条件下，利用真实气体的热力学性质表计算出来；C———流出系数，它是对"一维、等熵流动'这种假设条件的修正，实验表明C只是雷诺数Red的函数。

低雷诺数下临界流文丘里喷嘴的背压比研究作者：吕运朋, 曹爱菊来源：《现代电子技术》2011年第09期摘要：通过对国外低雷诺数下临界流文丘里喷嘴研究成果的分析，并结合ISO9300:2005(E)中对低雷诺数下临界流文丘里喷嘴最大背压比的建议及圆环形喉部临界流喷嘴几何尺寸范围的有关规定，注意到扩散半角、曲率半径、面积比等对喷嘴背压比的影响，从中得到了一些启示，并提出了一套试验方案，即有关扩散角度、曲率半径对背压比影响的试验方案。

关键词：背压比; 临界流文丘里喷嘴; 扩散半角; 曲率半径; 低雷诺数中图分类号：TN911-34文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)09-0127-03Study on Back-pressure Ratio of Critical FlowVenturi Nozzle at Low Reynold Number -peng, CAO Ai-ju(Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China )Abstract： By the analysis of the foreign research results on the critical flow Venturi nozzle at low Reynolds abroad, the effect of spread half-angle, curvature radius and area ratio on the back-pressure ratio was observed in combination with some proposals on maximum back-pressure ratio of critical flow Venturi nozzle at low Reynolds number and ISO 9300:2005(E) on geometric size of toroidal throat critical flow Venturi nozzle. From the observation, some inspiration was obtained. A testing program that the back-pressure ratio is effected by spread half-angle and curvature radius is put forward.Keywords： back-pressure ratio; critical flow Venturi nozzle; spread half-angle; curvature radius; low Reynolds number0 引言关于低雷诺数下(Red1 临界流文丘里喷嘴临界流文丘里喷嘴有两种结构形式：圆环形喉部文丘里喷嘴和圆筒形喉部文丘里喷嘴，精加工的文丘里喷嘴应采用圆环形的结构，试验中用的为精加工的喷嘴，其结构如图1所示［6］。