氣體通過調節閥控製閥門的特性
摘要（yào）：氣體介質因為其固有的特性——可壓縮性，在
閥門的流動中不同於液體。比如在節流過程（chéng）中，因（yīn）為在（zài）節流孔口處強烈的（de）擾動和渦流，導致能量分布的不均（jun1），容（róng）易產生噪聲。本文主要討（tǎo）論氣體在流經（jīng）閥門設備時參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、轉換等問題（tí）。
關鍵詞：可壓（yā）縮性；能量轉換；噪音；
控製閥
1緒論
工程中，常見的氣體流動都是穩定流動或（huò）接近穩定（dìng）的流動。同時任何一個截麵上任一點的流速、壓力、溫（wēn）度（dù）參數也均不相同。且工質在流動中可能（néng）與外界交換熱（rè）量。上述過程（chéng）是及其複雜的，為了簡（jiǎn）化問題的研究，考慮到工程中氣體快速地通過閥門，認為來不及與閥門進（jìn）行熱（rè）交換。同時取各截麵某參數的平均值作為該截麵上（shàng）各點參數的值（zhí），因此把（bǎ）氣體工（gōng）質的流動看作不可逆（nì）的一維絕熱穩定流動（dòng）。
2能量守恒（héng）方程
由熱力（lì）學定律（lǜ），在開口係統穩定流（liú）動的能量微分表達式為：

忽（hū）略重力的（de）作用，也（yě）不考慮對（duì）閥（fá）門做功。同時，考慮到（dào）流體和閥門的摩（mó）擦作用、流（liú）動中流體克服摩擦力做的功轉化（huà）為熱量，而這部分熱量又重新被加入到流（liú）動的流體中。上式簡化為：

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

對上式進行積分，因此，沿流動方向任意截麵應滿意

3截麵參數變化
根（gēn）據參考文獻1，可以得出絕熱等熵（shāng）流動中參數變化的（de）相對（duì）關係（xì）。見以下公式：



其中：v為比體積
c為流速
A為截麵積
к為比熱比係數
雖然上述公（gōng）式是由（yóu）絕熱（rè）等熵流（liú）動推出，但對（duì）於絕熱流動的截麵參數變化分析具有指導意義。由以上三個公式可以看出，參數的變化與氣體的馬赫數有關。當氣體介質進入閥門時（shí），處於亞聲速流動。在通過節流口處(見圖1)，因為麵積減（jiǎn）小，流速會（huì）增加，壓力降低，比體積（jī）增加，介質膨脹。通過節流口後，流（liú）通麵積（jī）變大，流速降低，壓力恢複（fù），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，壓力已不（bú）可能恢複到閥前壓（yā）力。流出閥門後，相比較閥前狀況，閥後壓力減小，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夠小（xiǎo），流速有可能增（zēng）加到聲速。此時，整（zhěng）個閥門的質量流量達（dá）到大值。若此時進一步增加麵積，則氣體膨脹至超音速，壓力進一步（bù）降低。有可能產生較大的噪音。但質量流量不（bú）再增加。這種（zhǒng）情形即是（shì）氣體選型時遇到的阻（zǔ）塞流情形。對於多級降壓的（de）閥內件結構，尤其要注意這種流速（sù）增加的狀況（kuàng）。因（yīn）為多級降壓內件（jiàn）通常被設計成如下的形式(見圖（tú）2)。通常外麵的套筒麵（miàn）積較大，然後減小，到裏層（céng）套（tào）筒的麵積小。這種從外到裏流（liú）的設計方式對於液體工況來講效果很好，它有效地加大了阻（zǔ）尼，降低了壓差。但是對於氣體工況來講，效（xiào）果卻恰恰相反。由於節流麵積逐級不斷收縮，氣（qì）體不（bú）斷加速，壓力不（bú）斷降低，密度持續（xù）減（jiǎn）小，介質不斷膨脹，有可能（néng）被膨（péng）脹至音（yīn）速甚至超音速。此時，會引起很強的振動。因（yīn）為（wéi）振動的強弱是（shì）和流速的平方成正比（bǐ）的。輕者引（yǐn）起噪（zào）音很大（dà），重者甚至（zhì）能（néng）破壞（huài）管道（dào）。因此對於多級降壓結構來講，氣體流向應當（dāng）從裏往外流。先（xiān）讓氣（qì）體節流降壓，然後逐漸適度壓縮，以控製內部（bù）的流速。防止振動的影響(見圖2)。

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

其中：pcr為流（liú）速達到當地聲速時的介質壓力
p0為（wéi）當介質速度減為0時（shí）的介質壓力，稱為滯止壓力，也成為總壓力，是一個理論值
vcr為臨（lín）界壓（yā）力比
к為比熱比係數
上式表明了當流速達到當（dāng）地聲（shēng）速時，即是質量流量達到大時，也就（jiù）是浮現阻塞流的時候的壓（yā）力比值，這個比值隻與工（gōng）質性質有關。現列舉幾個常見的數值，見表1：