用于测量脉动气流平均流量的稳压箱的研究

　　1　引言

　　测定脉动气流流量是分析内燃机等脉动机械的性能时不可缺少的试验内容,但由于气流速度与压力的脉动性,如把适用于定常流的流量计直接用于脉动流量的测量,则将得不到精确的结果,在某些工况下还会产生相当大的误差。为提高测量精度,可在脉动源与流量计之间添加容积足够大的稳压箱,以衰减脉动的影响。ISO/TR3313[1,2]综合与分析了在脉动源与流量之间用添加稳压箱的办法测量脉动流量的问题,但理论分析与实验数据的偏差较大。

　　本文在分析现有文献资料的基础上,建立了稳压箱动态过程的微分方程(包括无量纲方程),并进行了数值求解,找出了理论与实验比较吻合的准则方程。这些研究结果对于设计合适的稳压箱、提高脉动流量的测量精度有积极意义。

　　2　节流流量计测量脉动流产生测量误差的原因

　　众所周知,定常流时,孔板流量计前后的差压不随时间变化,根据差压的平方根就可以计算出流量。但是,对于脉动流,差压随时间变化,因此,如设差压计测出的是差压对时间的平均值,则用此平均值的平方根代替差压的平方根的平均值来计算流量,就会产生所谓“均方根误差”[3],即

式中:Δp是差压,T是差压变化的周期。

　　由上可见,均方根误差是由流量计本身非线性特性引起的,其值的大小与脉动流的脉动幅度关系甚大。在脉动源与流量计之间添加容积足够大的稳压箱可以使气流的脉动幅度衰减到足够小的程度,使通过流量计的流动接近于定常流动,从而提高测量精度。

　　自本世纪二十年代J.L.Hodgson[4,5]提出无量纲准则数Hodgson数以来,已有大量研究该准则数与测量误差之间关系的论文发表[6~11]。Hodgson数的定义为

式中: V是稳压箱的容积,f是脉动流的脉动频率,Δps是对应于平均质量流量qm的定常流动的流量计差压,qv是平均体积流量,p0是流量计来流的气体滞止压力。

　　2.1　以稳压箱为控制体的基本方程的建立

　　用节流流量计与稳压箱测量脉动气流平均流量的装置如图1所示。图中,qmi为流入稳压箱的质量流量,qmo为流出稳压箱的质量流量。以稳压箱为控制体的基本方程之一是代表质量守恒定律的连续性方程;如假定稳压箱内气体的过程为等熵过程,则另一基本方程为音速方程。因此,有

式中:γ为等熵指数,p、ρ分别为稳压箱内气体的瞬时压力和密度,c为音速。

　　如仅假定稳压箱内过程为绝热过程,则以稳压箱为控制体的基本方程组由连续性方程和绝热能量方程构成,即