1、1文丘里管在流量控制应用中的研究摘要：文章通过对文丘里管工作原理的分析探讨了利用文丘里管汽蚀原理进行流量控制的应用。根据计算分析结果，在特定工况下当流体下游压力不断降低时，文丘里管可使流体流量维持不变。文章同时给出了文丘里管应用于流量控制工况时喉管截面积的计算公式并进一步讨论了其应用的局限性的缺陷。 Abstract： The paper studied on application of cavitation venture in flow control by analysis of venturi principle. It was found that the flow could b
2、e maintained by the venturi when the downstream pressure decreased at constant. The paper proposed calculation method for throat area of cavitation venture. The disadvantages and constraints of application were also discussed in this paper. 关键词：文丘里管；喉部；汽蚀 Key words： venturi；throat；cavitation 中图分类号：T
3、H137.52 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0145-02 0 引言 工艺系统中传统的流体流量控制通常采用流量仪表监测流量同时调节阀门的方式实现。在整个运行过程中需要随时监测流量并调节阀门以2使流量满足要求。整个系统需要经过测量-比较-调节的反馈控制，因此需要一定的响应时间且实现控制的成本较高。这类传统的控制方法适用于较复杂的工艺控制，但对于一些简单的控制要求则显得成本过高。在某些特定的控制条件下，如维持流量恒定或避免流量过大，可采用更为简单和低成本的控制方案。使用汽蚀文丘里管对流量进行控制就是一种典型的流量控制策略。文丘里管利用汽蚀原理可以在下游压力发生变化
4、时保持流量不变。与传统的流量控制手段相比，在特定条件下使用文丘里管进行流量控制具有响应快、成本低和可靠性高的优点。 1 文丘里管的工作原理 如图 1 所示，典型的文丘里管由渐缩管、喉部断面和渐扩管组成。当流体在渐缩管内速度增加时其压力下降；反之，流体在渐扩管内动能转变为压能，速度随压力的增加而减小。文丘里管进口和喉部的伯努利方程为1： 式中：p1 和 p2 分别为断面 1 和 2 处流体的压力；z1 和 z2 为断面 1和 2 中心标高；v1 和 v2 分别为断面 1 和 2 处流体的流速； 为液体密度；g 为重力加速度。 在实际应用中文丘里管通常为水平布置，因此 z1=z2。流体在断面 1和
5、 2 之间的流动还存在摩擦损失，使实际的流速小于理论流速。引入流量系数 C 以考虑摩擦因素，喉部的实际流速为 Cv2。代入连续性方程： 式中 A1 和 A2 分别为断面 1 和 2 的面积。可得流量与喉部截面积的关系式： 2 汽蚀文丘里管的设计计算 3可压缩流体通常使用拉法尔喷管进行流量控制。当入口压力保持恒定且喷管喉部出现阻塞流时，进一步降低下游压力无法提高流体的流量。可以通过类似的原理对不可压缩流体的流动进行控制。在文丘里管内当液体的静压低于汽化压力时，流体会快速地汽化。汽化对流体的流动造成了两个影响：汽化大大增加了流体的体积，限制了流动；汽化产生的气体在喉部出现了阻塞流2。因此当入口压力
6、给定时，流体的流量不随下游压力的下降而增加。当流体进入文丘里管后部的渐扩管后，由于流速降低，压力回升到汽化压力之上使流体快速冷凝。因此利用文丘里管在喉部处的汽蚀现象可以对管路流量进行限流。 根据公式（3）可得出汽蚀文丘里管喉部面积。已知限流流量 Q、入口压力 p1 和文丘里入口管道截面积 A1，如给出相应流体的汽化压力p2，则可求出所需的喉部流通截面积 A2。 以核电站某系统为例，管道和文丘里管入口面积 A1 为 2.68E-03m2；入口压力 p1 为 17.8MPa；介质为水，密度为 998kg/m3；汽化压力 p2 为0.001MPa。要求在下游压力出现波动的情况下保证流量不超过39.7
7、m3/h。根据公式（3） ，当文丘里管的喉部截面积为 5.83E-05m2 时喉部压力可以达到汽化压力。该工况下当下游压力继续降低时流量不会进一步增大。因此可以认为满足该喉部截面积要求的文丘里管可以达到控制流量的要求。 3 汽蚀文丘里管应用的进一步讨论 利用文丘里管的汽蚀原理可对流体流量进行控制，但其应用也存在一定的局限性和缺点。 4文丘里管的调节范围较小，仅能保证在下游流体压力不断下降的工况下，使流体总流量不超过预设值。但在其他流量范围内不具备流量调节功能。 由于利用了汽蚀原理，因此文丘里管喉部段的磨损较大。如长期处于汽蚀状态运行，文丘里管需要频繁维护或更换3。 由于利用了汽蚀原理，流体在局
8、部出现了相变。因此其不适用于不允许流体相变的输送工况或工艺。 综上所述，利用文丘里管的汽蚀原理可以在一定工况下控制系统流量，而通过相关公式计算可以求出满足汽蚀要求的文丘里管喉部截面积。虽然汽蚀文丘里管在实际应用中存在一些问题和局限，但由于其结构简单和成本低的优点，其在工艺系统中具有广阔的应用前景。 参考文献： 1吴持恭.水力学M.北京：高等教育出版社，2008. 2A.Ulas. Passive flow control in liquid-propellant rocket engines with cavitating venturi J. Flow Measurement and Instrumentation， 2006， 17：93-97. 3杨富贵.用文丘里管作为流量控制元件的探讨J.煤矿机械，2001（7）：35-36.
