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

　　針對旅客列車真空集便系統(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程中，噴嘴入口長度及錐角、噴嘴喉部長、噴嘴出口長度及直徑、擴張管出入口長度及直徑、擴張管喉長度對大氣噴射器工作性能的影響，為此類大氣噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設計及優(yōu)化提供了理論依據(jù)和指導方向。

1、前言

　　大氣噴射器是一種結(jié)構(gòu)非常簡單的真空元器件，因其產(chǎn)生真空快、真空度高、運行可靠等優(yōu)點，在化工、電子、機械等行業(yè)得到了廣泛的應用。如環(huán)保、節(jié)能的新型旅客列車真空集便系統(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)過濾減壓閥進入大氣噴射器，使污物箱內(nèi)較快產(chǎn)生一定真空度，通過排泄閥的開啟，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�？芍�，噴射器的真空產(chǎn)生時間、產(chǎn)生真空度等工作性能對系統(tǒng)工作有著至關重要的影響。因此對其工作性能的研究，對系統(tǒng)中大氣噴射器的選用、設計及優(yōu)化有著重要的實際意義。流體軟件Fluent 在亞聲速及超聲速流動中已經(jīng)經(jīng)過了大量算例的驗證，不但可以得到較為準確的性能參數(shù)，克服了手工計算過于復雜、試驗耗費較大的缺點，且可以詳細地研究內(nèi)部具體的流場形態(tài)及分布規(guī)律。因此本文利用其對大氣噴射器進行數(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?shù)匾羲�，從噴嘴噴出時膨脹達到超音速。與吸入氣體共同經(jīng)擴張管排出后，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)不算復雜，但其內(nèi)部流動時發(fā)生的可壓縮的超音速混合過程十分復雜，且存在著激波的相互作用，所以增加了對其研究的困難。目前已有較多的學者用數(shù)值模擬的方法對大氣噴射器進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，外界因素對其性能的影響研究。根據(jù)氣體動力學中一元定常等熵流動時通流截面積與氣流的速度二者的關系式：

　　式中f ———通流截面積

　　M ———馬赫數(shù)

　　c ———流速

　　由式(1) 可知，噴嘴和擴張管的結(jié)構(gòu)形狀尺寸對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或數(shù)值模擬的方法得到了噴嘴及擴張管最小直徑或噴嘴距等對耗氣量及排氣量的影響關系。對于一些理論得出的大氣噴射器設計方法中，噴嘴、擴張管的入口及出口的直徑、長度和錐角等結(jié)構(gòu)尺寸給出的只是范圍取值，實際的設計過程中的選擇較為不便。因此，對大氣噴射器噴嘴及擴張管入口及出口的結(jié)構(gòu)尺寸與工作性能關系的研究，可為噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設計及優(yōu)化提供理論依據(jù)和指導方向。

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。當真空口接口直接與大氣相通時，其排氣量最大，稱為最大排氣量。

　　(3) 真空度P：指工作情況下，大氣壓強P0與真空腔的絕對壓強差值。當真空接口完全封閉，即排氣量為零時，真空腔所能達到的真空度稱為最大真空度。

　　(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。噴射系數(shù)越大表示抽吸真空速度越快。

2.3、大氣噴射器計算模型

　　本文將根據(jù)已有設計經(jīng)驗計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真空集便系統(tǒng)中的使用情況為工作環(huán)境，車上氣源供氣范圍為0.3 ～ 0.9MPa，且經(jīng)過濾減壓閥可調(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。計算采用理想氣體模型。采用耦合求解器，二階迎風格式進行離散。操作壓力為0Pa，即采用絕對壓力表示。根據(jù)文獻中的結(jié)果對比，RNG κ - ε 模型在預測氣流激波、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。選用軸對稱回轉(zhuǎn)條件完成三維與二維間的轉(zhuǎn)換。壁面選用無滑移、無滲流、絕熱壁面邊界條件的標準壁面。

圖3 大氣噴射器結(jié)構(gòu)簡圖

　　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變化的趨勢與試驗結(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置和模型選擇對噴射器的模擬是準確的，本文采用上述方法進行模擬分析。

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到最優(yōu)。合理增加噴嘴入口錐角和喉部長度可以減小耗氣量，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度之間存在最優(yōu)比，使噴射器性能最優(yōu);

　　(2) 耗氣量不受噴嘴出口長度與直徑的影響。在最佳Pp范圍內(nèi)，存在最優(yōu)噴嘴出口長度與直徑關系，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)盡可能增加擴張管的長度及出口直徑，可以提高噴射器工作性能。而擴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)實際工作要求進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。