建立了描述水蒸氣噴射泵內(nèi)部跨音速流動(dòng)的理論模型。以FLUENT12.0為計(jì)算平臺(tái)，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，獲得沿噴射泵軸向靜壓分布數(shù)值模擬結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者很好的一致性驗(yàn)證了理論模型的適用性。CFD數(shù)值模擬結(jié)果表明，數(shù)值模擬方法能夠準(zhǔn)確捕獲到噴射泵內(nèi)部跨音速激波流動(dòng)行為，為理解噴射泵內(nèi)在抽汽機(jī)制提供了幫助。基于濕蒸氣模型的數(shù)值模擬結(jié)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(jié)現(xiàn)象，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了水蒸氣噴射泵的抽氣特性，對(duì)噴射泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提高更具指導(dǎo)意義。

　　水蒸氣噴射泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)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)域有著廣泛應(yīng)用。水蒸氣噴射泵內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程十分復(fù)雜:工作介質(zhì)(水蒸氣)經(jīng)拉瓦爾噴嘴，由滯止?fàn)顟B(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(jìn)入混合室，并與高速運(yùn)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(kuò)壓器減速(至亞音速)增壓，排到大氣或被前級(jí)泵抽出，是一跨音速流動(dòng)行為。水蒸氣噴射泵結(jié)構(gòu)組成、內(nèi)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(shù)來(lái)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(guān)，可歸結(jié)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(guān)系。由于噴射泵內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性，經(jīng)典一維數(shù)學(xué)模型要經(jīng)過(guò)大量的簡(jiǎn)化，難以準(zhǔn)確、全面描述噴射泵內(nèi)的跨音速流動(dòng)行為，對(duì)噴射泵引射系數(shù)的計(jì)算、噴射泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更多地依賴實(shí)驗(yàn)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(guān)系如圖2所示。當(dāng)背壓小于臨界背壓p*b時(shí)，引射系數(shù)保持不變，為泵的正常工作狀態(tài)。當(dāng)背壓大于臨界背壓時(shí)，噴射泵的抽氣性能急劇下降，當(dāng)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(shè)計(jì)工作點(diǎn)希望在臨界背壓左側(cè)、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(wěn)定可靠的抽氣能力。因此，準(zhǔn)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵，一直是噴射泵研究者和設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)。

圖1 水蒸氣噴射泵結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流動(dòng)特性示意圖

圖2 水蒸氣噴射泵引射系數(shù)與背壓的關(guān)系曲線

　　隨著數(shù)值計(jì)算理論不斷完善、計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提高，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)已經(jīng)成為求解復(fù)雜流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的重要方法，其豐富的可視化預(yù)測(cè)結(jié)果，為復(fù)雜流動(dòng)內(nèi)在機(jī)制的理解和分析提供了極大的幫助，對(duì)分析水蒸氣噴射泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律同樣具有重要價(jià)值，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(jié)

　　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(jié)現(xiàn)象。基于

　　理想氣體假設(shè)、濕蒸氣模型預(yù)測(cè)的工作蒸氣靜壓沿噴嘴軸向分布以及實(shí)驗(yàn)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(jié)引起的壓力突升(Wilson點(diǎn))，而理想氣體模型過(guò)低地估計(jì)了噴嘴的出口壓力，這會(huì)對(duì)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(duì)噴射泵抽氣性能(引射系數(shù))的數(shù)值模擬結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)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(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的一致性，特別是能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)臨界背壓、最大背壓的大小，可為噴射泵的結(jié)構(gòu)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(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4、結(jié)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(yù)測(cè)噴射泵內(nèi)的跨音速流動(dòng)，使噴射泵的性能提高和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究更為準(zhǔn)確有效。

　　(2)盡管有報(bào)道基于二維、三維幾何模型獲得的數(shù)值模擬結(jié)果差異不大，但研究表明兩者的差異仍然存在，在計(jì)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(guò)度膨脹會(huì)引起蒸氣的自發(fā)凝結(jié)，對(duì)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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。