本文應用CFX 軟件及k-ε 湍流模型，實現了液環真空泵噴射器三維流動傳熱的數值模擬。并分析噴射器內流場的壓力分布、馬赫數分布和溫度分布，了解其內部的復雜流動，利用仿真結果計算出液環真空泵噴射器在不同壓力下引射氣體流量的變化，并與實驗曲線進行對比驗證，為優化噴射器結構，實現噴射器與液環真空泵的最佳匹配提供依據。

　　噴射器以其結構簡單可靠、運轉費用低而得到廣泛應用，如真空系統、制冷循環、火箭和噴氣飛機的推進系統及核電廠的冷卻系統等。噴射器內部的混合流動過程非常復雜，實驗研究的難度較大，目前的研究工作大多采用理論分析、數值計算的方法，例如何培杰等通過大渦模擬方法對噴射泵內部流動進行了二維數值計算，得到了噴射泵內部的流場分布、軸向壓力變化。李素芬等定性地探討了熱力參數和幾何參數對流場特性的影響規律。徐海濤、桑芝富等采用FLUENT 軟件分別對蒸汽噴射泵內的超音速流動進行了數值模擬。但對于液環真空泵內的噴射器流動傳熱研究尚未看到報道。本文選擇佛山水泵廠生產的P630 型液環真空泵噴射器為研究對象， 采用Ansys- CFX 流動軟件對噴射器內流動傳熱進行數值模擬，分析流速、壓力和溫度等參數的變化對噴射器性能的影響，為優化噴射器結構，實現噴射器與液環真空泵的最佳匹配提供依據。

　　液環泵配置噴射器能較大地提高液環泵在較低吸入壓力下的抽氣量和抽氣效率，還能有效地預防液環泵內氣蝕的發生。液環真空泵加裝噴射器后，真空泵為噴射器提供了驅動氣源。圖1為液環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，將被抽系統的氣體抽走，使被抽系統形成真空。

圖1 液環真空泵噴射器

1、計算模型

1.1、物理模型的建立和網格生成

　　流場的計算域由噴嘴、吸入室、混合室、擴散室，部分進口組成。應用Pro- E 軟件創建噴射器的三維幾何模型（圖2）。采用CFX 的前處理模塊ICEM 對計算域進行網格劃分，由于噴射器的計算域是不規則的，在劃分網格過程中使用了非結構化四面體網格并得到如圖3、圖4 所示的四面體網格單元。流場的網格單元數為19 萬，節點數為3 萬。

圖2 計算域的生成　圖3 噴射器四面體網格單元生成　圖4 混合室及噴嘴局部四面體網格

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。流體進口、出口均采用壓力邊界條件。壁面邊界采用無滑移、絕熱邊界條件，并使用標準壁面函數法確定固壁附近流動。引射氣體、工作氣體按理想氣體假設，室溫為22℃，大氣壓為102330 Pa。

2、模擬結果及分析

　　圖5、圖6、圖7 和圖8 分別是設計壓力（8000 Pa）下噴射器內的壓力、馬赫數、溫度和噴射器軸心線上氣體的密度分布。從中可以看到工作氣體在拉伐爾噴嘴內壓力、馬赫數、溫度、密度變化較為平穩。氣體噴出噴嘴后壓力和速度的劇烈變化，速度達到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生劇烈混合，進行著動量和能量的交換，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，馬赫數增大，并形成激波。在擴散段，混合流體動能轉換成壓力能，壓力增大，馬赫數減少，溫度上升。

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

3、噴射器的引射氣量計算及實驗驗證

　　為驗證本文計算結果的有效性，需要將液環泵加裝大氣噴射器的實測結果與模擬結果進行對比。噴射器性能測試是在廣東佛山水泵廠的水泵測試站完成的，如圖9 所示。整套系統符合國家標準，實驗中測量了噴射器引射氣量、引射壓力、出口壓力、軸功率等參數。

圖9 噴射器- 液環泵測試系統流程圖　　圖10 引射壓力和引射流量關系

　　圖10 是不同引射壓力下的引射流量實測和模擬結果的對比，其中引射體積流量的計算結果是從CFX 后處理中通過引射氣量的質量流量和引射氣體密度，按公式得到。從圖中可看到模擬結果與實驗結果符合較好，趨勢基本一致，數值誤差控制在5%以內。流動模擬與實測比較表明本文計算方法及結果，對模擬噴射器的三維流動傳熱性能預測、輔助噴射器的優化設計是現實可行的。

4、結論

　　(1) 利用CFX 流動軟件對液環泵噴射器的內部流動傳熱進行了數值模擬，通過分析噴射器內壓力、溫度、馬赫數和密度的分布，得出噴射器內部復雜的流動傳熱機理，并分析噴嘴出口附近產生激波的成因。

　　(2) 由數值模擬得到不同引射壓力和引射流量的關系，并得到實驗結果的驗證，模擬結果與實驗結果符合較好，誤差控制在5%以內，為優化噴射器結構，改善液環泵系統性能提供了理論依據。