水蒸氣噴射泵的數值研究

　　建立了描述水蒸氣噴射泵內部跨音速流動(dòng)的理論模型。以FLUENT12.0為計算平臺，采用計算流體力學(xué)(CFD)方法，獲得沿噴射泵軸向靜壓分布數值模擬結果，并與實(shí)驗數據進(jìn)行對比，兩者很好的一致性驗證了理論模型的適用性。CFD數值模擬結果表明，數值模擬方法能夠準確捕獲到噴射泵內部跨音速激波流動(dòng)行為，為理解噴射泵內在抽汽機制提供了幫助�；�于濕蒸氣模型的數值模擬結果顯示，濕蒸氣模型能夠捕獲到噴嘴內工作蒸氣的自發(fā)凝結現象，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(jiǎn)單、工作穩定可靠等優(yōu)點(diǎn)，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(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用。水蒸氣噴射泵內部流動(dòng)過(guò)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，并在混合室內造成低壓(真空);在壓差作用下，被抽氣體進(jìn)入混合室，并與高速運動(dòng)的工作蒸氣進(jìn)行劇烈的能量和動(dòng)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(dòng)行為。水蒸氣噴射泵結構組成、內部流動(dòng)特性示意圖如圖1所示。

　　噴射泵的抽氣特性可用引射系數來(lái)描述。噴射泵引射系數定義為被抽氣體質(zhì)量流量與工作蒸氣質(zhì)量流量之比。引射系數與工作蒸氣壓力、被抽氣體壓力、泵出口壓力(背壓)，有關(guān)，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)的函數關(guān)系。由于噴射泵內部流動(dòng)的復雜性，經(jīng)典一維數學(xué)模型要經(jīng)過(guò)大量的簡(jiǎn)化，難以準確、全面描述噴射泵內的跨音速流動(dòng)行為，對噴射泵引射系數的計算、噴射泵結構設計更多地依賴(lài)實(shí)驗數據，只在有限范圍內具有適用性。在特定操作參數條件下，水蒸氣噴射泵引射系數與背壓的關(guān)系如圖2所示。當背壓小于臨界背壓p*b時(shí)，引射系數保持不變，為泵的正常工作狀態(tài)。當背壓大于臨界背壓時(shí)，噴射泵的抽氣性能急劇下降，當背壓大于最大背壓prb時(shí)，噴射泵失去抽氣能力。噴射泵的設計工作點(diǎn)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(shí)，噴射泵具有穩定可靠的抽氣能力。因此，準確確定噴射泵臨界背壓，成為噴射泵穩定工作和性能優(yōu)化設計的關(guān)鍵，一直是噴射泵研究者和設計者關(guān)注的重點(diǎn)。

圖1 水蒸氣噴射泵結構及其內部流動(dòng)特性示意圖

圖2 水蒸氣噴射泵引射系數與背壓的關(guān)系曲線(xiàn)

　　隨著(zhù)數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(xué)(CFD)已經(jīng)成為求解復雜流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的重要方法，其豐富的可視化預測結果，為復雜流動(dòng)內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部流動(dòng)規律同樣具有重要價(jià)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(guò)程中，其溫度會(huì )急劇下降，將產(chǎn)生自發(fā)凝結現象�；�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(shí)驗數據如圖5所示。從中可見(jiàn)，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(diǎn))，而理想氣體模型過(guò)低地估計了噴嘴的出口壓力，這會(huì )對噴射泵的數值模擬精度造成影響。

圖5 噴嘴內壓力沿軸向分布

　　3.4、基于濕蒸氣模型的數值模擬

　　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)的數值模擬結果以及實(shí)驗數據如圖6所示。從中可見(jiàn)，基于濕蒸氣模型的數值模擬結果與實(shí)驗數據有很好的一致性，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(shí)驗數據對比

4、結論

　　(1)CFD方法作為流體流動(dòng)與傳熱的研究工具，可以很好地預測噴射泵內的跨音速流動(dòng)，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值模擬研究的方向。

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

　　(4)基于濕蒸氣模型的多相流動(dòng)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。