Choked flow呛流

呛流(chokedFlow)是一种可压缩气体的流动效应。变为“阻塞”或“受限”的参数是流体速度。

呛流是与文丘里效应相关的流体动力学条件。当在给定压力和温度下流动的流体通过收缩部分(例如会聚 – 扩散喷嘴的喉部或管道中的阀门)进入较低压力环境时,流体速度突然增加。在最初的亚音速上游条件下,质量守恒原理要求流体速度随着其流过收缩部的较小横截面积而增加。同时,文丘里效应导致流体静压,以及密度在收缩部分下游减小。呛流是一种限制条件,其中质量流量不会随着下游压力的进一步降低而增加,而上游压力是固定的。注意,有限的参数是速度,因此可以随着上游压力增加(流体密度增加)而增加质量流量。

对于均匀流体,绝热条件下发生阻塞的物理点是当出口平面速度处于音速条件时; 即,马赫数为1. 在呛流时,仅可通过增加上游和阻塞点处的流体密度可以增加质量流量。

阻塞的气流在许多工程应用中可以应用,因为质量流量与下游压力无关,并且仅取决于温度和压力,因此仅取决于节流点上游侧的气体密度。在呛流条件下,通过阀和当量孔板限制可以产生所需的质量流量。

Choked flow in liquids液体中的堵塞流动

如果流体是液体,当作用于液体流过节流点发生文丘里效应导致液体压力急剧降低,而降低到低于液体此时对应温度下的饱和蒸汽压时,就会发生不同类型的限制条件(也称为阻塞流)。此时,液体将部分地闪蒸成气泡,随后气泡的破裂会引起气蚀现象。气蚀除产生非常嘈杂噪音外,且可能足够猛烈并损坏阀门,管道和相关设备。实际上,节流过程中的汽泡形成阻止了流量的进一步增加。

Mass flow rate of a gas at choked conditions扼流条件下气体的质量流量

所有气体都从上游高压源流向下游低压源。存在几种发生声阻塞流动的情况,例如德拉瓦尔喷嘴中的横截面的变化或流过孔板的流动。

Choking in change of cross section flow呛流截面流量的变化假设理想的气体行为,当下游压力低于临界值P*时,发生稳态阻塞流动。该临界值可以从无量纲临界压力比方程计算

ɤ是气体的比热容cp/cvpo是节流点上游的总压。

对于热容比ɤ= 1.4的空气,则p * = 0.828po; 其他气体的ɤ在1.09(例如丁烷)至1.67(单原子气体)的范围内,因此临界压力比在0.487 <p * / po <0.587范围内变化,这意味着,取决于气体种类,通常会发生阻塞流动,是当下游静压降至上游源容器中流体滞点绝对压力的0.487至0.587倍以下时。

当气体流速达到声阻塞发生时,流过的流量计算公式是:

 


通流系数 {\displaystyle C_{d}}Cd 可以通过下面公式计算到:质量流率主要取决于喷嘴喉部的横截面积A和上游压力Po,并且仅微弱地取决于温度To。该速率根本不取决于下游压力。所有其他量都是常量,仅取决于流体各种成分的组成。尽管气体速度达到最大并且变得阻塞,但质量流量不会被完全阻塞。如果上游压力增加,则质量流速仍然可以增加,因为这增加了进入孔口的气体的密度。


Sonicchoke在可压缩气体管网输配中的应用上述公式中的质量流量是通过计算上游压力源中存在的压力和温度正常通流的稳态质量流量。

在气体安装有安全阀的紧急泄放系统,为保护系统超越破坏,建立了相关设备和管道的超压泄放保护系统,这个系统目的是将额外增加的气体量泄放掉,确保系统压力在设计压力范围内。高压蒸汽吹扫,如锅炉除灰喷射系统,为让每个喷嘴出口处流量和流速达到要求,完成吹扫工作,也希望合理设计管道系统。在上诉高压气体泄放过程中,往往会涉及到管道中间大小头转换管径,节流孔板,和管道末端等敏感位置,在这些位置往往会发生呛流(Sonicchoke)

下面系统是一个工艺工厂安全阀泄放系统,在J3(安全阀)和J5(进入大气)发生了Sonicchoke。

改系统泄放流量是174Kg/hr,该通流能力是这两个sonicchoke点决定的。软件自动计算处其他位置最小呛流流通截面积。警示客户做合理管径选择。

沿管道通道压降变化:

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