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Bobby Brown
更新 2016-12-14
喷嘴流量分布 - 喷嘴流道设计

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流量是指流体在一段时间内,经过某一截面积的通过量,分为体积流量与质量流量两种类型。一般情况下,喷嘴流量指的是体积流量,通常以“升/分钟”(L/min)为单位,即测量喷嘴每分钟喷洒出的多少升的液体(液体体积)。
设计喷嘴时,需要考量到许多影响喷洒效果的因素,包含流量大小、流量分布、压力差以及喷嘴角度等因素,本文将带您了解流道设计,流量与流量分布的相关知识。
碍于篇幅,本文不介绍单位换算,流量单位计算请参考数学公式轻松计算流量
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一、流道设计

通过截面积相同的喷嘴,透过改变流道设计,可以调整流量和流量分布,从而达到不同的喷洒效果。
  • 流量=水流的多寡:透过改变流道设计,以增加或减少流速,可以改变喷嘴的流量。
  • 流量分布=水流的分布形状:改变流道设计,改变水在出口处的分布形状,使相同流量的喷嘴,产生不同的流量分布,譬如将钟型分布变成均等型分布。

二、流量分布

液体从喷嘴喷洒出来后,根据喷嘴的设计,会形成不同的分布形态。这些分布形态决定了液体在覆盖范围内的分配情况,简单来说就是某些区域的水量较多,而某些区域较少。通过这样的设计,喷嘴可以适应不同的应用需求。我们可以用流量截面图来理解常见的几种流量分布形式:

1. 钟形分布:中间多、两边少

钟形流量分布图 Bell-shaped Flow Distribution
钟形分布,流量分布喷雾量在喷射范围的中间部分最大,两边逐渐减少,形成钟形的分布曲线。
钟形流量分布喷嘴有最高的冲击力,适合需要集中冲击力的应用,如清洗表面污垢,由于边缘区域覆盖不足,不适合均匀涂覆要求高的情况。
如果希望改善两侧的覆盖不足,则安装喷嘴时,可以缩短喷嘴的间距,也就是让两颗喷嘴的喷洒范围重叠,则能改善覆盖不足情况。

2. 均等分布:中间多、两边少

均等流量分布图 Even Flow Distribution
均等分布的流量像是高原一样,两测量量较小,中间流量多但分布平均,不像标准凸形分布有一个高峰。
喷雾在中间部分保持均匀且较高的流量,边缘区域流量相对较低,形成一个平台状的分布。
适合需要在较大区域内保持均匀覆盖的应用,如喷涂和化学处理,能够提供较为一致的覆盖效果,但边缘的流量仍可能不足。

3. 空心分布:中间少、周围多

空心流量分布 Hollow Flow Distribution
空心圆锥喷嘴(hollow cone)喷洒的流量分布效果,,喷雾量在喷射圆形范围的边缘区域最大,中间部分相对较少,形成环形或甜甜圈形的分布,剖面图看起来是中间凹陷的样子。
适合需要避免中心区域过度湿润的应用,如某些精细喷涂或化学反应场合,需注意调整喷射角度和距离,确保边缘区域不会过度集中。

三、关于“流量”你还需要知道的 3 件事

  • 流量分布常常会随压力改变
  • 设计图与真实情况会有落差
  • 角度与流量会影响分布

1.流量分布常常会随压力改变

设计喷嘴时,设计者界定一标准流量与标准压力,设计流量分布效果,由于流量分布会受压力影响,当压力增加或减少时,流体的流速和流向都会改变,从而影响流量的分布形态。当喷嘴的上游压力增大时,出口流速增高,但分布可能会变得更不均匀,尤其是在喷嘴中心和边缘处。

2.设计图与真实情况会有落差

一般设计喷嘴时,会忽略不可控的外部因素绘制流量图,以至于实际喷洒效果和绘制图不可能完全相符。实际上,喷嘴或管道表面细微的不平整,流体的黏性、湍流效应,都会使得流量分布与理论设计的理想状态有差异。而LORRIC承诺的5%或10%喷嘴流量公差,是基于设计的标准压力和流量条件,保证流量输出误差在 ±5% 或 ±10%之内。

3. 角度与流量会影响分布

喷嘴角度越大,流体扩散越广,流量分布可能变得不均匀,边缘流速减弱。当流量增大时,流速提高,流体的惯性会加强,流量分布更容易集中在某些方向。

四、体积流率和质量流率

文章前段有提到,流量可分为体积流率和质量流率两种,喷嘴是以体积流率看流量,体积流率和截面积、流速成正相关,截面积越大,体积流率越大;流速越快,体积流率也越大。
一般来说,我们可以简单地透过单位来辨别体积流率和质量流率:体积流率单位通常是(m3/s);而质量流率单位通常是(kg/s)。以下会更详细地说明两种流率概念。

1.体积流率(Volumetric Flow Rate)

体积流率是在时间内通过某一截面的流体体积,像是超音波流量计、浮子流量计、蹼轮流量计、涡轮式流量计、容积式流量计、电磁流量计等,都是以体积流率计算流量,
体积流率公式中写作Q,单位通常是(m3/s),体积流率等于截面积乘以流速:
Q =A x V
截面积A越大,体积流率越大;流速V越快,体积流率也越大
像是用水龙头接水,水流的“快慢”(流速)与水龙头开口的大小(截面积)都会影响水流的体积流量。,口越大、流速越快,接满水桶的速度自然也越快。

2.质量流率(Mass Flow Rate)

质量流量则是指在时间内通过某一截面的流体质量,喷嘴设计参考质量流量,科氏力质量流量计、热式质量流量计、压差式流量计也都是测质量流量。
质量流率公式中写作m,单位通常是(kg/s),质量流率等于体积流量乘以流体密度:
m =ρ x Q
流体密度ρ越大,质量流率m越大;体积流量Q越大,质量流率m也越大
加油站为例,车辆加油时,加柴油(密度较高),相比同流速下的汽油,单位时间内会获得更多的质量流量。
[1][2]

参考资料

  1. ^ 流量 - WIKI
  2. ^ 质量流量与体积流量 - Sino-Inst
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