結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)大氣噴射器性能影響的數(shù)值模擬研究

　　針對(duì)旅客列車(chē)真空集便系統(tǒng)中的核心部件之一———大氣噴射器，借助CFD 軟件Fluent，研究了大氣噴射器在使用過(guò)程中，噴嘴入口長(zhǎng)度及錐角、噴嘴喉部長(zhǎng)、噴嘴出口長(zhǎng)度及直徑、擴(kuò)張管出入口長(zhǎng)度及直徑、擴(kuò)張管喉長(zhǎng)度對(duì)大氣噴射器工作性能的影響，為此類(lèi)大氣噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)方向。

1、前言

　　大氣噴射器是一種結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的真空元器件，因其產(chǎn)生真空快、真空度高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在化工、電子、機(jī)械等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。如環(huán)保、節(jié)能的新型旅客列車(chē)真空集便系統(tǒng)，大氣噴射器為其核心元器件之一。其系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 真空集便系統(tǒng)工作原理示意

　　以氣源即壓縮空氣為工作介質(zhì)，經(jīng)過(guò)濾減壓閥進(jìn)入大氣噴射器，使污物箱內(nèi)較快產(chǎn)生一定真空度，通過(guò)排泄閥的開(kāi)啟，將便盆內(nèi)的污物抽吸至污物箱內(nèi)，噴射器再次將污物箱抽至要求真空度，等待下次工作。可知，噴射器的真空產(chǎn)生時(shí)間、產(chǎn)生真空度等工作性能對(duì)系統(tǒng)工作有著至關(guān)重要的影響。因此對(duì)其工作性能的研究，對(duì)系統(tǒng)中大氣噴射器的選用、設(shè)計(jì)及優(yōu)化有著重要的實(shí)際意義。流體軟件Fluent 在亞聲速及超聲速流動(dòng)中已經(jīng)經(jīng)過(guò)了大量算例的驗(yàn)證，不但可以得到較為準(zhǔn)確的性能參數(shù)，克服了手工計(jì)算過(guò)于復(fù)雜、試驗(yàn)耗費(fèi)較大的缺點(diǎn)，且可以詳細(xì)地研究?jī)?nèi)部具體的流場(chǎng)形態(tài)及分布規(guī)律。因此本文利用其對(duì)大氣噴射器進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2、大氣噴射器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

2.1、大氣噴射器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　根據(jù)工作原理可知，氣流經(jīng)入口至噴嘴喉部處逐漸加速當(dāng)?shù)匾羲�，從噴嘴噴出時(shí)膨脹達(dá)到超音速。與吸入氣體共同經(jīng)擴(kuò)張管排出后，速度減小為亞音速。圖2 為大氣噴射器工作示意。

圖2 大氣噴射器工作示意

　　雖然大氣噴射器結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，但其內(nèi)部流動(dòng)時(shí)發(fā)生的可壓縮的超音速混合過(guò)程十分復(fù)雜，且存在著激波的相互作用，所以增加了對(duì)其研究的困難。目前已有較多的學(xué)者用數(shù)值模擬的方法對(duì)大氣噴射器進(jìn)行了較為深入的研究，多為噴射器結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，外界因素對(duì)其性能的影響研究。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)中一元定常等熵流動(dòng)時(shí)通流截面積與氣流的速度二者的關(guān)系式：

　　式中f ———通流截面積

　　M ———馬赫數(shù)

　　c ———流速

　　由式(1) 可知，噴嘴和擴(kuò)張管的結(jié)構(gòu)形狀尺寸對(duì)大氣噴射器工作性能有著決定性的影響。一些研究中利用試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法得到了噴嘴及擴(kuò)張管最小直徑或噴嘴距等對(duì)耗氣量及排氣量的影響關(guān)系。對(duì)于一些理論得出的大氣噴射器設(shè)計(jì)方法中，噴嘴、擴(kuò)張管的入口及出口的直徑、長(zhǎng)度和錐角等結(jié)構(gòu)尺寸給出的只是范圍取值，實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中的選擇較為不便。因此，對(duì)大氣噴射器噴嘴及擴(kuò)張管入口及出口的結(jié)構(gòu)尺寸與工作性能關(guān)系的研究，可為噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)和指導(dǎo)方向。

2.2、大氣噴射器的主要性能參數(shù)

　　(1) 耗氣量G1：指從噴嘴流出的氣體在基準(zhǔn)狀態(tài)下的質(zhì)量流量或體積流量。

　　(2) 排氣量G2：指從真空口接口處吸入的氣體的流量。當(dāng)真空口接口直接與大氣相通時(shí)，其排氣量最大，稱(chēng)為最大排氣量。

　　(3) 真空度P：指工作情況下，大氣壓強(qiáng)P0與真空腔的絕對(duì)壓強(qiáng)差值。當(dāng)真空接口完全封閉，即排氣量為零時(shí)，真空腔所能達(dá)到的真空度稱(chēng)為最大真空度。

　　(4) 噴射系數(shù)u：排氣量G2與耗氣量G1之比為噴射系數(shù)u ，為真空發(fā)生器工作效率的指標(biāo)。噴射系數(shù)越大表示抽吸真空速度越快。

2.3、大氣噴射器計(jì)算模型

　　本文將根據(jù)已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算所得噴射器基本模型，主要幾何參數(shù)如圖3 所示。以大氣噴射器在旅客列車(chē)真空集便系統(tǒng)中的使用情況為工作環(huán)境，車(chē)上氣源供氣范圍為0.3 ～ 0.9MPa，且經(jīng)過(guò)濾減壓閥可調(diào)節(jié)。入口選用壓力入口邊界條件;出口選用壓力出口邊界條件，壓力為101325Pa。計(jì)算采用理想氣體模型。采用耦合求解器，二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。操作壓力為0Pa，即采用絕對(duì)壓力表示。根據(jù)文獻(xiàn)中的結(jié)果對(duì)比，RNG κ - ε 模型在預(yù)測(cè)氣流激波、平均壓力變化等方面更為合理，故湍流模型采用RNG κ - ε 模型。選用軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)條件完成三維與二維間的轉(zhuǎn)換。壁面選用無(wú)滑移、無(wú)滲流、絕熱壁面邊界條件的標(biāo)準(zhǔn)壁面。

圖3 大氣噴射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　圖4 為噴射器耗氣量G1隨工作氣體壓力Pp變化曲線，從圖中可知，模擬結(jié)果的噴射器的G1隨Pp變化的趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果完全一致，耗氣量均隨工作氣體壓力的增加而增加，二者結(jié)果最大相差為8.8%，因此所述邊界條件的設(shè)置和模型選擇對(duì)噴射器的模擬是準(zhǔn)確的，本文采用上述方法進(jìn)行模擬分析。

圖4 耗氣量隨工作氣體壓力變化

4、結(jié)論

　　(1) 存在最佳工作氣體壓力Pp范圍，使噴射器綜合性能達(dá)到最優(yōu)。合理增加噴嘴入口錐角和喉部長(zhǎng)度可以減小耗氣量，提高噴射器工作性能。在最佳Pp范圍內(nèi)，噴嘴入口錐角與喉部長(zhǎng)度之間存在最優(yōu)比，使噴射器性能最優(yōu);

　　(2) 耗氣量不受?chē)娮斐隹陂L(zhǎng)度與直徑的影響。在最佳Pp范圍內(nèi)，存在最優(yōu)噴嘴出口長(zhǎng)度與直徑關(guān)系，使噴射器綜合性能最優(yōu)。大于最佳Pp，最大真空度隨噴嘴出口長(zhǎng)度與直徑的增加而減小;

　　(3) 在噴射器整體尺寸允許范圍內(nèi)盡可能增加擴(kuò)張管的長(zhǎng)度及出口直徑，可以提高噴射器工作性能。而擴(kuò)張管入口直徑的增加有利于噴射系數(shù)的增加，使得噴射器工作速度加快，但卻使最大真空度降低;

　　(4) 要得到較快的抽吸速度還是要得到較大的真空度，需要根據(jù)實(shí)際工作要求進(jìn)行決定要較高的噴射器的噴射系數(shù)還是最高真空度，擇優(yōu)選擇適合的噴嘴及擴(kuò)張管結(jié)構(gòu)�；蛘叨�者結(jié)構(gòu)折中考慮以提高噴射器綜合工作性能。