水蒸氣噴射泵的數(shù)值研究

　　建立了描述水蒸氣噴射泵內(nèi)部跨音速流動的理論模型。以FLUENT12.0為計算平臺，采用計算流體力學(CFD)方法，獲得沿噴射泵軸向靜壓分布數(shù)值模擬結果，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比，兩者很好的一致性驗證了理論模型的適用性。CFD數(shù)值模擬結果表明，數(shù)值模擬方法能夠準確捕獲到噴射泵內(nèi)部跨音速激波流動行為，為理解噴射泵內(nèi)在抽汽機制提供了幫助�；�于濕蒸氣模型的數(shù)值模擬結果顯示，濕蒸氣模型能夠捕獲到噴嘴內(nèi)工作蒸氣的自發(fā)凝結現(xiàn)象，更準確地預測了水蒸氣噴射泵的抽氣特性，對噴射泵的結構優(yōu)化和性能提高更具指導意義。

　　水蒸氣噴射泵具有結構簡單、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，為特定工藝提供一定的真空環(huán)境，在化工、冶金、石油、食品、制冷等工業(yè)領域有著廣泛應用。水蒸氣噴射泵內(nèi)部流動過程十分復雜:工作介質(zhì)(水蒸氣)經(jīng)拉瓦爾噴嘴，由滯止狀態(tài)加速到超音速，并在混合室內(nèi)造成低壓(真空);在壓差作用下，被抽氣體進入混合室，并與高速運動的工作蒸氣進行劇烈的能量和動量交換，最終兩股流體經(jīng)擴壓器減速(至亞音速)增壓，排到大氣或被前級泵抽出，是一跨音速流動行為。水蒸氣噴射泵結構組成、內(nèi)部流動特性示意圖如圖1所示。

　　噴射泵的抽氣特性可用引射系數(shù)來描述。噴射泵引射系數(shù)定義為被抽氣體質(zhì)量流量與工作蒸氣質(zhì)量流量之比。引射系數(shù)與工作蒸氣壓力、被抽氣體壓力、泵出口壓力(背壓)，有關，可歸結為壓縮比(背壓與被抽氣體壓力之比)和膨脹比(工作蒸氣壓力與被抽氣體壓力之比)的函數(shù)關系。由于噴射泵內(nèi)部流動的復雜性，經(jīng)典一維數(shù)學模型要經(jīng)過大量的簡化，難以準確、全面描述噴射泵內(nèi)的跨音速流動行為，對噴射泵引射系數(shù)的計算、噴射泵結構設計更多地依賴實驗數(shù)據(jù)，只在有限范圍內(nèi)具有適用性。在特定操作參數(shù)條件下，水蒸氣噴射泵引射系數(shù)與背壓的關系如圖2所示。當背壓小于臨界背壓p*b時，引射系數(shù)保持不變，為泵的正常工作狀態(tài)。當背壓大于臨界背壓時，噴射泵的抽氣性能急劇下降，當背壓大于最大背壓prb時，噴射泵失去抽氣能力。噴射泵的設計工作點希望在臨界背壓左側、并接近臨界被壓處，以保證背壓在一定范圍變化時，噴射泵具有穩(wěn)定可靠的抽氣能力。因此，準確確定噴射泵臨界背壓，成為噴射泵穩(wěn)定工作和性能優(yōu)化設計的關鍵，一直是噴射泵研究者和設計者關注的重點。

圖1 水蒸氣噴射泵結構及其內(nèi)部流動特性示意圖

圖2 水蒸氣噴射泵引射系數(shù)與背壓的關系曲線

　　隨著數(shù)值計算理論不斷完善、計算機運算能力的不斷提高，計算流體力學(CFD)已經(jīng)成為求解復雜流動和傳熱問題的重要方法，其豐富的可視化預測結果，為復雜流動內(nèi)在機制的理解和分析提供了極大的幫助，對分析水蒸氣噴射泵內(nèi)部流動規(guī)律同樣具有重要價值，為準確預測水蒸氣噴射泵的臨界背壓、提高噴射泵抽氣效率提供了新的重要途徑。

　　3.3、噴嘴內(nèi)工作蒸氣的自發(fā)凝結

　　高壓工作蒸氣經(jīng)拉瓦爾噴嘴加速膨脹過程中，其溫度會急劇下降，將產(chǎn)生自發(fā)凝結現(xiàn)象。基于

　　理想氣體假設、濕蒸氣模型預測的工作蒸氣靜壓沿噴嘴軸向分布以及實驗數(shù)據(jù)如圖5所示。從中可見，濕蒸氣模型能夠捕獲到蒸氣自發(fā)凝結引起的壓力突升(Wilson點)，而理想氣體模型過低地估計了噴嘴的出口壓力，這會對噴射泵的數(shù)值模擬精度造成影響。

圖5 噴嘴內(nèi)壓力沿軸向分布

　　3.4、基于濕蒸氣模型的數(shù)值模擬

　　基于濕蒸氣模型、理想氣體模型對噴射泵抽氣性能(引射系數(shù))的數(shù)值模擬結果以及實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。從中可見，基于濕蒸氣模型的數(shù)值模擬結果與實驗數(shù)據(jù)有很好的一致性，特別是能夠較準確地預測臨界背壓、最大背壓的大小，可為噴射泵的結構優(yōu)化和性能提高提供幫助。

圖6 理想氣體模型、濕蒸氣模型模擬結果與實驗數(shù)據(jù)對比

4、結論

　　(1)CFD方法作為流體流動與傳熱的研究工具，可以很好地預測噴射泵內(nèi)的跨音速流動，使噴射泵的性能提高和結構優(yōu)化的研究更為準確有效。

　　(2)盡管有報道基于二維、三維幾何模型獲得的數(shù)值模擬結果差異不大，但研究表明兩者的差異仍然存在，在計算能力不斷提高的前提下，三維模擬將是今后噴射泵數(shù)值模擬研究的方向。

　　(3)水蒸氣噴射泵工作蒸氣在噴嘴內(nèi)的過度膨脹會引起蒸氣的自發(fā)凝結，對噴射泵抽氣特性將產(chǎn)生至關重要的影響。

　　(4)基于濕蒸氣模型的多相流動模擬可以更準確地預測噴射泵的抽氣特性、臨界背壓、最大背壓，是水蒸氣噴射泵抽氣特性研究的發(fā)展方向。