針對中心噴射式射流真空泵傳能效率較低，吸氣殘壓過大的問題，結合環形射流和自激振蕩射流的優點，提出環形水氣自激振蕩脈沖射流的概念，提高射流對被引射氣體的卷吸能力。以環形射流理論為基礎，建立了質量和動量守恒方程。采用Realizablek-ε紊流模型，歐拉多相流模型對環形水氣自激振蕩脈沖射流流場進行了數值模擬。以提高卷吸效果為優化目標，對影響卷吸效果結構參數進行了數值計算和分析，完成相關參數正交仿真驗證，并獲得一組較優的結構參數組合。使用較優參數組合建立環形水氣自激振蕩射流的模型，并對下噴嘴處的流體平均速度進行了非定常模擬計算。結果表明，與普通環形水氣射流相比，環形自激振蕩射流對氣體的卷吸作用能力，且環形水氣自激振蕩射流的結構參數對吸氣量有顯著的影響。這為環形水氣自激振蕩射流真空泵結構設計提供了理論基礎。

　　水氣射流真空泵可用于抽吸氣體，營造低真空環境。由于不使用回轉機械部件，不受氣蝕效應的影響，因此具有獨特的優勢。目前在水氣射流真空泵技術中需要解決的核心問題，是提高對引射氣體的抽吸能力，以及水氣兩相之間的能量轉換效率。這就需要深入地研究射流真空泵內部各種流動參數(壓力、速度、溫度等)的變化規律;Winoto等通過理論分析和實驗，發現圓形噴嘴在其噴嘴面積與喉管面積之比為0.3時，射流泵具有最高的效率;周建來研究了雙側吸氣式射流的主要結構參數與動力效率的關系，并完成了相關正交實驗;GuofengYuan等在不同喉嘴距和面積比的條件下，對水氣射流泵性能進行了數值模擬分析，判斷出最佳喉嘴距和最佳面積比。VanierschotM發現環形紊流流場具有不均勻性，且靠近下游滯點的位置存在一個中心環狀渦流(Centraltoroidalvortex，CTV)，使得速度脈動程度加劇。這個特性使得環形射流更傾向于非恒定方式，是環形射流能提高水氣傳能效率的主要原因之一。

　　采用脈沖射流等非恒定射流方式，比恒定射流的傳能及傳質效率有較大的提高。陸宏圻、高傳昌等對脈沖液體射流泵的基本性能、參數優化、能量損失分析等各個方面均進行了積極的探索，認為脈沖射流可以使流體在喉管出口處得到更充分的混合，可以周期性地提高噴嘴射流壓力與吸入管路和吸入室的真空度，能量轉換效率明顯高于恒定流射流泵。但其共同點均為采用外激振源，使用強迫激振的方式產生脈沖射流。

　　本文將自激振蕩射流引入射流真空泵，利用其自激振的特性提高抽吸氣體能力和傳能效率，極大的簡化非恒定射流的發生及控制過程。

1、環形水氣自激振蕩射流基本原理

　　自激振蕩脈沖射流是一種利用流體動力學、水力學、流體共振和液體彈性原理發展起來的一種新型高效脈沖射流。它不需要激振源，無運動構件，依靠噴嘴自身的結構特性(自激振蕩腔室和特殊的邊界條件)，使通過噴嘴的射流轉變為自激振蕩脈沖射流。

　　在自激振蕩脈沖射流的理論基礎上，提出了環形水氣自激振蕩射流的概念：工作流體從環形縫隙噴嘴噴出后，卷吸環中的氣體形成環狀水氣兩相射流，經振蕩腔室的上噴嘴噴入自激振蕩腔室。這是一種高雷諾數的強剪切湍流射流，且由于環狀高速射流與液環內外的氣體的卷吸、夾帶效應，在環面上形成了極不穩定的剪切層。剪切層周圍的流體受卷吸、夾帶的作用形成軸對稱渦漩，在流動中各處作不規則的運動，并同時發生微團間激烈的動量交換、能量交換和質量交換。

　　通過不穩定剪切層的選擇放大作用，同時依靠自激振蕩脈沖腔室固有的邊壁條件，使得水氣兩相流環形剪切邊界層中的壓力擾動波完成反饋-選擇性放大-諧振的過程，如圖1所示。自激振蕩腔室，作用上類似于一個諧波復合放大器和激勵器。

圖1 環形水氣自激振蕩脈沖射流發生過程

　　3.2、環形水氣自激振蕩射穩態速度場

　　按照前一節中數值模擬結果，得到的較優參數組合：取d/d1=0.875、α=15°、d2/d1=1.5、LC/DC=0.45，建立能夠獲得較好的卷吸效果環空水氣自激振蕩脈沖射流的發生裝置模型，并使用Fluent工具進行速度場分析，如圖7所示。

圖7 環形水氣自激振蕩脈沖射流穩態速度場

　　高速水射流從環形噴嘴中噴出后，水氣相界面處形成環狀混合核心流。由于水氣兩相存在速度差，因此混合核心流中的液相以液滴形式存在，并由液滴完成與氣相的動量交換;與中心射流形式相比，在相同的流量情況下，環形射流的混合核心流中液相與氣相的接觸面積有顯著增加，能夠有效提高傳能效率。

　　自激振蕩腔體下噴嘴處的錐形碰撞壁，分流一部分混合流返回至上噴嘴處，形成流量及能量的反饋，在振蕩腔室內形成自激振蕩渦旋。在自激振蕩效應加劇了水氣兩相的傳質與傳能的過程。另一方面，采用自激振蕩腔室代替傳統射流泵的喉管，不會出現水氣混合射流的壓力突然增加的現象，避免產生類似于傳統射流泵喉管內部的混合沖波段，對提高效率有利。

　　3.3、環形水氣自激振蕩效果

　　對上節使用的環形水氣自激振蕩射流發生模型進行非定常數值模擬。設定進口處水射流入射速度10.54m/s，則環形水氣自激振蕩射流狀態下，大約8ms左右環形主射流到達下噴嘴位置;對比的環形水氣射流則需要20ms左右到達擴散管入口。在不穩定振蕩的初始狀態結束后(約0.2s)，分別記錄時域數據：自激振蕩狀態下下噴嘴處水相、氣相平均速度;普通環形射流的擴散管入口處的水相、氣相平均速度(作為對比)。

　　如圖8所示，當主環形射流到達自激振蕩腔體下噴嘴時，水相平均速度便開始出現明顯的振蕩特性;如圖9所示，在環形射流進入自激振蕩射流泵體0.6s左右，通過下噴嘴的氣相平均速度便出現脈動特征。而對應的普通環形水氣射流的擴散管入口處，水相、氣相速度都沒有很明顯的波動。這是由于環形射流進入自激振蕩腔室后，環狀的水氣混合剪切層范圍不斷擴大，混合相界面趨于模糊，氣體在工作液體卷吸作用下不斷加速，并參與碰撞-反饋-諧振的自激振蕩過程，從而在下噴嘴處被調制成脈沖水氣射流。

圖8 下噴嘴處水相平均速度振蕩趨勢

　　從圖8和圖9中還可以看出，作為對比的普通環形水氣射流，擴散管入口處的水相速度、氣相平均速度均遠小于環形水氣自激振蕩射流下噴嘴處的相應速度，而且沒有脈動的特性。由于自激振蕩腔體內的環形水氣混合射流在無約束狀態下充分發展，較之作為對比的環形水氣射流在長喉管中受到管壁約束和摩阻的影響，能量損失較小，通過的流體平均速度較大。由此說明，環形水氣自激振蕩射流抽吸氣體的能力更為優越。

圖9 下噴嘴處氣相平均速度振蕩趨勢

結論

　　本文對環空水氣自激振蕩脈沖射流對氣體卷吸機理進行了解釋，通過數值模擬的方式得到了結構參數對吸氣能力的影響關系，并完成了自激振蕩腔室內部的流場分析。歸納如下：

　　(1)環形射流的擴展受到壁面的制約，形成了單側擴展的射流。與中心噴射式射流相比，在相同流量的情況下，所形成的水汽混合流與氣相的接觸面積大，對氣體的卷吸效果更好。

　　(2)環形水氣自激振蕩射流發生裝置的結構參數，對吸氣量的影響較大。按影響重要程度排序，分別是：下噴嘴與上噴嘴直徑比d2/d1、進氣口與上噴嘴直徑比d/d1、自激振蕩腔室長徑比LC/DC、環形射流入射傾角α。通過數值模擬正交實驗，獲得了一組較優的參數組合。

　　(3)非定常計算的結果可以表明，在環形自激振蕩脈沖射流的下噴嘴處，流體平均速度有明顯的脈沖振蕩，且相對于普通環形水氣射流而言，氣體的平均速度大大提高。這表明環形水氣自激振蕩射流對引射氣體的卷吸作用有所增強，水氣能量轉換效率得到了提高。