作者：2018級本科生 黃鈺誠、覃思博、蔡坤鵬、龔婭 能源動力與工程系
指導老師：張揚 能源動力與工程系
關鍵詞：音速噴嘴 流量調節(jié)
摘要
氣體流量控制裝置是基于音速噴嘴原理設計，利用音速噴嘴原理將質量流量控制過程轉化為壓力控制過程，并且采用機械自動控制實現(xiàn)壓力波動環(huán)節(jié)對于流量的精確控制，利用新型結構實現(xiàn)量程段的拓展，從而實現(xiàn)低成本變壓力耐受的質量流量控制。
選題背景
氣體流量控制器是能源、化工、醫(yī)藥、航空航天等領域科學研究和工業(yè)過程中不可缺少的重要設備。氣體流量控制器的精度、穩(wěn)定性等性能對實驗結果的可靠性、工業(yè)產品的質量等具有重要影響?，F(xiàn)有的流量控制裝置仍然存在缺陷，目前常規(guī)采用的質量控制裝置基本只適用于穩(wěn)定壓力條件，對外界壓力波動的適應性差，在流量計上下游壓力出現(xiàn)變化的條件下，流量控制會產生較大的誤差，造成實驗的準確性差或者工業(yè)產品的質量差?；谝羲賴娮斓淖詣託怏w流量控制裝置，采用機械自動控制低成本地解決現(xiàn)壓力波動環(huán)節(jié)對于流量的精確控制，采用新型結構提供大量程的自動氣體流量控制裝置。
設計思路
裝置的設計思路是采用減壓閥和音速噴嘴的組合，利用音速噴嘴原理將質量流量控制過程轉化為壓力控制過程，達到準確控制流量的目的。
減壓閥用于解決上游壓力波動的問題，同時調節(jié)音速噴嘴上游的壓力；噴嘴用于利用“音速堵塞”現(xiàn)象，解決下游壓力波動的問題；組合裝置使得通過噴嘴的流量僅僅和噴嘴上游（即減壓閥下游）的壓力成正比。
環(huán)境背景壓力pb＞p*時，全管內為亞聲速流動，最終管內壓力下降到出口壓力pe與環(huán)境壓力pb相等，出口亞聲速；環(huán)境背景壓力pb≤p*時，出口處以聲速流動，在出口后產生膨脹波，出口壓力
降壓后與環(huán)境壓力pb匹配，出現(xiàn)“音速阻塞”現(xiàn)象。對于連續(xù)流動，有：
因此，使用壓力傳感器獲得p0即可推知
，通過減壓閥調節(jié)p0即可改變流量
。
對比優(yōu)勢
優(yōu)勢一：變壓力耐受、精度高、帶自動控，將流量控制過程轉化為壓力控制過程，使得流量的控制過程簡單化，同時可以避免其他質量流量控制方法由于壓力波動引起的誤差；流量偏差可自動調節(jié)。
優(yōu)勢二：適用壓力范圍廣，采用多通閥連接著截面面積不同的的噴嘴，適用于不同壓力下的測量，故本流量計適用壓力范圍廣。
優(yōu)勢三：成本較低，與同精度等級的熱式流量計相比，成本較低：高精度進口熱式質量流量計價格達到數萬元（不帶數顯），本流量計成本約為三千元。
圖1 最初版本設備連接圖
圖2 設備集成后效果圖
