本文應(yīng)用CFX 軟件及k-ε 湍流模型，實(shí)現(xiàn)了液環(huán)真空泵噴射器三維流動(dòng)傳熱的數(shù)值模擬。并分析噴射器內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布、馬赫數(shù)分布和溫度分布，了解其內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)，利用仿真結(jié)果計(jì)算出液環(huán)真空泵噴射器在不同壓力下引射氣體流量的變化，并與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，為優(yōu)化噴射器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)噴射器與液環(huán)真空泵的最佳匹配提供依據(jù)。

　　噴射器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低而得到廣泛應(yīng)用，如真空系統(tǒng)、制冷循環(huán)、火箭和噴氣飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)及核電廠(chǎng)的冷卻系統(tǒng)等。噴射器內(nèi)部的混合流動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)研究的難度較大，目前的研究工作大多采用理論分析、數(shù)值計(jì)算的方法，例如何培杰等通過(guò)大渦模擬方法對(duì)噴射泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了二維數(shù)值計(jì)算，得到了噴射泵內(nèi)部的流場(chǎng)分布、軸向壓力變化。李素芬等定性地探討了熱力參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)流場(chǎng)特性的影響規(guī)律。徐海濤、桑芝富等采用FLUENT 軟件分別對(duì)蒸汽噴射泵內(nèi)的超音速流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。但對(duì)于液環(huán)真空泵內(nèi)的噴射器流動(dòng)傳熱研究尚未看到報(bào)道。本文選擇佛山水泵廠(chǎng)生產(chǎn)的P630 型液環(huán)真空泵噴射器為研究對(duì)象， 采用Ansys- CFX 流動(dòng)軟件對(duì)噴射器內(nèi)流動(dòng)傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流速、壓力和溫度等參數(shù)的變化對(duì)噴射器性能的影響，為優(yōu)化噴射器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)噴射器與液環(huán)真空泵的最佳匹配提供依據(jù)。

　　液環(huán)泵配置噴射器能較大地提高液環(huán)泵在較低吸入壓力下的抽氣量和抽氣效率，還能有效地預(yù)防液環(huán)泵內(nèi)氣蝕的發(fā)生。液環(huán)真空泵加裝噴射器后，真空泵為噴射器提供了驅(qū)動(dòng)氣源。圖1為液環(huán)真空泵噴射器示意圖，氣體在拉伐爾噴嘴中加速形成超音速射流，并且在噴嘴出口形成高真空，將被抽系統(tǒng)的氣體抽走，使被抽系統(tǒng)形成真空。

圖1 液環(huán)真空泵噴射器

1、計(jì)算模型

1.1、物理模型的建立和網(wǎng)格生成

　　流場(chǎng)的計(jì)算域由噴嘴、吸入室、混合室、擴(kuò)散室，部分進(jìn)口組成。應(yīng)用Pro- E 軟件創(chuàng)建噴射器的三維幾何模型（圖2）。采用CFX 的前處理模塊ICEM 對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于噴射器的計(jì)算域是不規(guī)則的，在劃分網(wǎng)格過(guò)程中使用了非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格并得到如圖3、圖4 所示的四面體網(wǎng)格單元。流場(chǎng)的網(wǎng)格單元數(shù)為19 萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 萬(wàn)。

圖2 計(jì)算域的生成　圖3 噴射器四面體網(wǎng)格單元生成　圖4 混合室及噴嘴局部四面體網(wǎng)格

1.2、求解器、邊界條件及流體物性

　　用CFX 求解中選取k-ε 湍流模型和Total energy 傳熱模型。流體進(jìn)口、出口均采用壓力邊界條件。壁面邊界采用無(wú)滑移、絕熱邊界條件，并使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法確定固壁附近流動(dòng)。引射氣體、工作氣體按理想氣體假設(shè)，室溫為22℃，大氣壓為102330 Pa。

2、模擬結(jié)果及分析

　　圖5、圖6、圖7 和圖8 分別是設(shè)計(jì)壓力（8000 Pa）下噴射器內(nèi)的壓力、馬赫數(shù)、溫度和噴射器軸心線(xiàn)上氣體的密度分布。從中可以看到工作氣體在拉伐爾噴嘴內(nèi)壓力、馬赫數(shù)、溫度、密度變化較為平穩(wěn)。氣體噴出噴嘴后壓力和速度的劇烈變化，速度達(dá)到2.6 倍音速，氣體壓力、溫度、密度突躍式驟降，從而在噴嘴出口附近形成激波。在拉伐爾噴嘴出口附近壓力最小、速度最大、溫度最低。在混合段，工作氣體和引射氣體發(fā)生劇烈混合，進(jìn)行著動(dòng)量和能量的交換，混合氣體壓力、溫度有所上升。但由于截面逐漸收縮，氣體受到壓縮，溫度和密度降低，馬赫數(shù)增大，并形成激波。在擴(kuò)散段，混合流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能，壓力增大，馬赫數(shù)減少，溫度上升。

圖5 噴射器壓力分布（8000Pa）　圖6 噴射器馬赫數(shù)分布（8000Pa）　圖7 噴射器溫度分布（8000Pa）　圖8 噴射器中心軸線(xiàn)上的密度分布

3、噴射器的引射氣量計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證本文計(jì)算結(jié)果的有效性，需要將液環(huán)泵加裝大氣噴射器的實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。噴射器性能測(cè)試是在廣東佛山水泵廠(chǎng)的水泵測(cè)試站完成的，如圖9 所示。整套系統(tǒng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了噴射器引射氣量、引射壓力、出口壓力、軸功率等參數(shù)。

圖9 噴射器- 液環(huán)泵測(cè)試系統(tǒng)流程圖　　圖10 引射壓力和引射流量關(guān)系

　　圖10 是不同引射壓力下的引射流量實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果的對(duì)比，其中引射體積流量的計(jì)算結(jié)果是從CFX 后處理中通過(guò)引射氣量的質(zhì)量流量和引射氣體密度，按公式得到。從圖中可看到模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，趨勢(shì)基本一致，數(shù)值誤差控制在5%以?xún)?nèi)。流動(dòng)模擬與實(shí)測(cè)比較表明本文計(jì)算方法及結(jié)果，對(duì)模擬噴射器的三維流動(dòng)傳熱性能預(yù)測(cè)、輔助噴射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)實(shí)可行的。

4、結(jié)論

　　(1) 利用CFX 流動(dòng)軟件對(duì)液環(huán)泵噴射器的內(nèi)部流動(dòng)傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)分析噴射器內(nèi)壓力、溫度、馬赫數(shù)和密度的分布，得出噴射器內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)傳熱機(jī)理，并分析噴嘴出口附近產(chǎn)生激波的成因。

　　(2) 由數(shù)值模擬得到不同引射壓力和引射流量的關(guān)系，并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，誤差控制在5%以?xún)?nèi)，為優(yōu)化噴射器結(jié)構(gòu)，改善液環(huán)泵系統(tǒng)性能提供了理論依據(jù)。