本文以P360 型液環(huán)泵噴射器作為研究對(duì)象，分別采用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格，應(yīng)用RNG k-ε湍流模型對(duì)噴射器的超音速混合氣體流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算得到了兩種網(wǎng)格條件下噴射器內(nèi)的壓力、馬赫數(shù)及溫度等參數(shù)的分布規(guī)律。通過(guò)與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算得到的液環(huán)泵噴射器性能與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，也能較好地捕捉到噴射器內(nèi)激波膨脹波交替循環(huán)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

　　在液環(huán)泵真空系統(tǒng)中，噴射器經(jīng)常作為液環(huán)泵的上游設(shè)備，起著提高吸入真空度和增大吸氣量的作用，還可有效改善液環(huán)泵腔內(nèi)低壓造成的汽蝕、振動(dòng)和噪聲等問(wèn)題。如圖1 所示，噴射器出口與液環(huán)泵入口相接，當(dāng)液環(huán)泵啟動(dòng)時(shí)，噴嘴進(jìn)氣口與排氣口之間形成壓差；工作氣體流經(jīng)收縮噴嘴后形成高速射流，吸氣室的壓力低于引射壓力使引射氣體進(jìn)入吸氣室內(nèi)；兩股氣流在吸氣室內(nèi)混合后進(jìn)入液環(huán)泵，經(jīng)增壓后排出泵外，即完成了整個(gè)系統(tǒng)的吸氣、排氣過(guò)程。

圖1 液環(huán)泵—噴射器工作原理

　　有關(guān)噴射器的研究工作目前大多采用理論分析、數(shù)值計(jì)算的方法。例如于文艷等采用FLUENT 軟件對(duì)蒸汽噴射泵器進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了噴射器工作壓力、引射壓力等參數(shù)變化對(duì)噴射系數(shù)的影響。單勇等通過(guò)對(duì)波瓣噴管引射- 混合器的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了流向渦和正交渦產(chǎn)生、衰減的規(guī)律。姚亞夫等采用ANSYS 軟件對(duì)Laval 噴管內(nèi)的混合氣流場(chǎng)進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，得到了較直觀的混合氣體流動(dòng)軌跡。黃思等模擬計(jì)算了液環(huán)泵噴射器內(nèi)的氣體流動(dòng)，探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴射器內(nèi)部流場(chǎng)及性能的影響。

　　由于噴射器是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，上述研究在計(jì)算中均采用了非結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，在計(jì)算精度方面可能會(huì)造成一定的偏差。本文借助ANSYS-CFX 軟件，分別采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)常用的液環(huán)泵噴射器進(jìn)行數(shù)值模擬并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，為液環(huán)泵噴射器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1、計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

　　1.1、計(jì)算域和網(wǎng)格生成

　　選取常用的P360 型液環(huán)泵噴射器作為研究對(duì)象。如圖2 所示，該噴射器計(jì)算域由進(jìn)氣段、噴嘴、引射吸入室、混合室和擴(kuò)壓室組成。借助ICEM 網(wǎng)格生成軟件，對(duì)噴射器計(jì)算域分別構(gòu)造了六面體的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)均為80 萬(wàn)左右，如圖3 所示。

圖2 噴射器計(jì)算區(qū)域

圖3 噴射器計(jì)算網(wǎng)格(中心剖面)

　　1.2、計(jì)算模型及邊界條件

　　液環(huán)泵噴射器內(nèi)的氣流視為理想氣體的絕熱過(guò)程，選取RNG k-ε 湍流模型進(jìn)行湍流計(jì)算。工作氣體入口、引射氣體入口以及噴射管出口邊界條件均采用靜壓值和溫度值，為配合實(shí)驗(yàn)工況，選取以下的數(shù)值范圍作為邊界條件：引射壓力P 引=2000～16000Pa(絕對(duì)壓力，下同)，出口壓力(背壓)P 出=10500～17000Pa，工作壓力均采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，P 工=101325Pa，環(huán)境溫度為28℃。

2、計(jì)算結(jié)果分析

　　2.1、馬赫數(shù)分布

　　根據(jù)上述的噴射器工況條件分別進(jìn)行了模擬計(jì)算。作為示例，圖4 和圖5 分別給出了噴射器計(jì)算域中心截面的馬赫數(shù)分布云圖和軸心線的馬赫數(shù)分布曲線(P引=6000Pa，P 出=12400Pa)。由圖可見(jiàn)，使用兩種網(wǎng)格計(jì)算得到的噴射器射流核心區(qū)流速均超過(guò)音速，即M>1。由以往的研究結(jié)果得知，當(dāng)超音速噴嘴出口壓力低于環(huán)境壓力時(shí)，會(huì)在噴嘴出口產(chǎn)生斜激波，經(jīng)過(guò)混合層反射再轉(zhuǎn)為膨脹波，如此交替循環(huán)形成網(wǎng)格模式直至衰減。

　　射流核心區(qū)的壓力、流速、溫度等參數(shù)也相應(yīng)地產(chǎn)生周期性波動(dòng)。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算得到的馬赫數(shù)等值線云圖(圖4a)在射流核心區(qū)可以看出有明顯的網(wǎng)格模式，軸心線的馬赫數(shù)曲線沿著流動(dòng)方向也有明顯的周期性波動(dòng)(圖5)。而采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算得到的馬赫數(shù)分布則看不出有類似的網(wǎng)格模式(圖4b)和波動(dòng)規(guī)律(圖5)，說(shuō)明采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算能較好地捕捉到噴射器內(nèi)的激波膨脹波交替循環(huán)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖4 噴射器中心截面的馬赫數(shù)分布云圖

(P 引=6000Pa，P 出=12400Pa)

圖5 馬赫數(shù)沿噴射器軸心線的分布曲線

(P 引=6000Pa，P 出=12400Pa)

　　2.2、壓力分布

　　圖6 和圖7 分別給出噴射器內(nèi)中心截面的壓力分布云圖和軸心線上的壓力分布曲線(P 引=6000Pa，P 出=12400Pa)。由圖可見(jiàn)，使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算得到的壓力分布在射流核心區(qū)以引射壓力值為基準(zhǔn)上下波動(dòng)(圖7)；氣體進(jìn)入混合室后壓力值才穩(wěn)定持續(xù)上升，最終達(dá)到噴射器出口壓力。使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算則捕捉不到壓力分布在射流核心區(qū)類似的波動(dòng)規(guī)律。

圖6 噴射器中心截面的壓力分布云圖

(P 引=6000Pa，P 出=12400Pa)

圖7 壓力沿噴射器軸心線的分布曲線

(P 引=6000Pa，P 出=12400Pa)

　　2.3、溫度分布

　　圖8 和圖9 分別給出噴射器內(nèi)中心截面的溫度分布云圖和軸心線上的溫度分布曲線(P 引=6000Pa，P 出=12400Pa)。由圖可見(jiàn)，使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算得到的射流核心區(qū)的溫度分布在一段范圍內(nèi)處于不穩(wěn)定的低溫狀態(tài)(圖8a，圖9)。氣體進(jìn)入擴(kuò)壓室后溫度值迅速上升。而采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算得到的射流核心區(qū)僅有很小的低溫區(qū)域，隨后氣溫沿著流動(dòng)方向平緩回升(圖8b，圖9)。

圖8 噴射器中心截面的溫度分布云圖

(P 引=6000Pa，P 出=12400Pa)

圖9 溫度沿噴射器軸心線的分布曲線

(P 引=6000 Pa，P 出=12400 Pa)

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　液環(huán)泵噴射器的性能測(cè)試在廣東省佛山水泵廠有限公司的水泵測(cè)試站完成。該測(cè)試站采用多功能參數(shù)測(cè)量?jī)x的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，整套系統(tǒng)達(dá)到國(guó)家B 級(jí)精度水平。液環(huán)泵真空系統(tǒng)由P360型噴射器與2BE13563 型液環(huán)泵組合，液環(huán)泵轉(zhuǎn)速：590r/min，供水量：26m3/h，室溫：28℃。實(shí)驗(yàn)方法是通過(guò)閥門調(diào)節(jié)不同的引射壓力和液環(huán)泵入口壓力，測(cè)出相應(yīng)的吸入氣量值。圖10 是采用兩種網(wǎng)格計(jì)算的吸入氣量與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果。

圖10 模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

　　由圖可見(jiàn)，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算得到的吸入氣量與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。

4、結(jié)論

　　本文借助ANSYS-CFX 流動(dòng)軟件，分別采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)常用的液環(huán)泵噴射器氣體流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

　　(1)設(shè)計(jì)工況下液環(huán)泵噴射器內(nèi)的氣流屬超音速流動(dòng)，在射流核心區(qū)將產(chǎn)生斜激波和膨脹波交替循環(huán)的網(wǎng)格模式；射流核心區(qū)的壓力、馬赫數(shù)、溫度等參數(shù)沿流動(dòng)方向相應(yīng)地呈周期性震蕩并逐漸衰減。

　　(2)兩種網(wǎng)格計(jì)算得到的噴射器氣體流場(chǎng)對(duì)比結(jié)果表明，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能較準(zhǔn)確地模擬計(jì)算液環(huán)泵噴射器內(nèi)流場(chǎng)和外部性能，能較好地捕捉到噴射器內(nèi)激波膨脹波交替循環(huán)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。