音速喷嘴是一种基于气体动力学原理设计的特殊流道构造,其核心作用是经过临界流特性完成气体流量的准确控制与能量转换,次要功用及使用如下:
一、气体流量准确控制
1.树立流量基准
当气体流经喷嘴喉部时,在临界压力比下(通常为0.528),流速到达外地音速,此时质量流量仅与入口压力、温度相关,与下游压力动摇有关。
此特性使其成为气体流量计量的规范安装,如燃气表检定中作为基准器,测量不确定度≤0.2%。
2.多级流量调理
经过并联组合不同喉径的喷嘴,可掩盖宽量程流量检测(如1–1000m³/h),适配不同口径流量计标定需求。
三、能量转换与减速
1.热能→动能高效转化
在汽轮机中,喷嘴经过膨胀或拉瓦尔构造(先膨胀后扩张)将低温蒸汽压力能转化为高速动能,推进转子叶片旋转发电。
超音速喷嘴(拉瓦尔型)可将气流减速至马赫数>1,用于航天推进或超音速火焰喷涂。
2.工业加工动力源
激光切割:超音速气流辅佐排渣、冷却切缝,提升切割面质量(碳钢用氧气,不锈钢用氮气)。
超音速火焰喷涂(HVOF):减速熔融颗粒至超音速,构成致密涂层,用于航空零件强化。
四、特殊场景使用
1.抗污染才能
临界流特性使其对介质杂质不敏感,适用于含颗粒物的工业气体计量(如未污染燃气)。
2.二氧化碳雪清洗
经过音速收缩效应使液态CO₂霎时固化成微米级干冰颗粒,用于精细元件无损清洗。
关键设计差别与选型要点
亚音速喷嘴 :流道截面积继续膨胀 惯例压力控制(如激光切割辅佐气体)
超音速喷嘴 :拉瓦尔构造(膨胀-扩张) 需跨音速减速场景(如航天推进、喷涂)
注:外表粗糙度与热效应会明显影响喷嘴流出系数,高精度场景需经过非实流标定修正误差;低温工况(>300℃)需选用耐热合金材质避免变形。
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