摘要：气体介质因为其固有的特性——可压缩性，在阀门的流动中不同于液体。比如在节流过程中，因为在节流孔口处强烈的扰动和涡流，导致能量分布的不均，极容易产生噪声。本文主要讨论气体在流经阀门设备时参数的变化与流道截面积的关系，以及流动过程中气体能量的传递、转换等问题。

 

关键词：可压缩性；能量转换；噪音；控制阀

1 绪论

   工程中，常见的气体流动都是稳定流动或接近稳定的流动。同时任何一个截面上任一点的流速、压力、温度参数也均不相同。且工质在流动中可能与外界交换热量。上述过程是及其复杂的，为了简化问题的研究，考虑到工程中气体快速地通过阀门，认为来不及与阀门进行热交换。同时取各截面某参数的平均值作为该截面上各点参数的值，因此把气体工质的流动看作不可逆的一维绝热稳定流动。

2 能量守恒方程

由热力学第一定律，在开口系统稳定流动的能量微分表达式为：

 

忽略重力的作用，也不考虑对阀门做功。同时，考虑到流体和阀门的摩擦作用、流动中流体克服摩擦力做的功转化为热量，而这部分热量又重新被加入到流动的流体中。上式简化为：

 

很显然，克服摩擦消耗的功δw摩擦和由它转换的热量δq吸是相等的，而δq为与外界交换的热量，对于绝热流动，该值为0，即有

 

对上式进行积分，因此，沿流动方向任意截面应满足

 

3 截面参数变化

根据参考文献1，可以得出绝热等熵流动中参数变化的相对关系。见以下公式：

 

 

 

其中：v为比体积

c为流速

A为截面积

к为比热比系数

    虽然上述公式是由绝热等熵流动推出，但对于绝热流动的截面参数变化分析具有指导意义。由以上三个公式可以看出，参数的变化与气体的马赫数有关。当气体介质进入阀门时，处于亚声速流动。在通过节流口处(见图1)，因为面积减小，流速会增加，压力降低，比体积增加，介质膨胀。通过节流口后，流通面积变大，流速降低，压力恢复，比体积减小，介质压缩。但因为在阀门节流口处的摩擦导致的能量转换，压力已不可能恢复到阀前压力。流出阀门后，相比较阀前状况，阀后压力减小，流速有一定增加，介质密度有一定减小。

 

图1

   如果在节流口处的面积减小得足够小，流速有可能增加到声速。此时，整个阀门的质量流量达到zui大值。若此时进一步增加面积，则气体膨胀至超音速，压力进一步降低。有可能产生较大的噪音。但质量流量不再增加。这种情形即是气体选型时碰到的阻塞流情形。对于多级降压的阀内件结构，尤其要注意这种流速增加的状况。因为多级降压内件通常被设计成如下的形式(见图2)。通常zui外面的套筒面积较大，然后减小，到zui里层套筒的面积zui小。这种从外到里流的设计方式对于液体工况来讲效果很好，它有效地增大了阻尼，降低了压差。但是对于气体工况来讲，效果却恰恰相反。由于节流面积逐级不断收缩，气体不断加速，压力不断降低，密度持续减小，介质不断膨胀，极有可能被膨胀至音速甚至超音速。此时，会引起很强的振动。因为振动的强弱是和流速的平方成正比的。轻者引起噪音很大，重者甚至能破坏管道。因此对于多级降压结构来讲，气体流向应当从里往外流。先让气体节流降压，然后逐渐适度压缩，以控制内部的流速。防止振动的影响(见图2)。

 

图2