液环泵喷射器性能的数值模拟研究及实验验证

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华南理工大学机械与汽车工程学院 作者:黄思

  本文应用CFX 软件及k-ε 湍流模型,实现了液环真空泵喷射器三维流动传热的数值模拟。并分析喷射器内流场的压力分布、马赫数分布和温度分布,了解其内部的复杂流动,利用仿真结果计算出液环真空泵喷射器在不同压力下引射气体流量的变化,并与实验曲线进行对比验证,为优化喷射器结构,实现喷射器与液环真空泵的最佳匹配提供依据。

  喷射器以其结构简单可靠、运转费用低而得到广泛应用,如真空系统、制冷循环、火箭和喷气飞机的推进系统及核电厂的冷却系统等。喷射器内部的混合流动过程非常复杂,实验研究的难度较大,目前的研究工作大多采用理论分析、数值计算的方法,例如何培杰等通过大涡模拟方法对喷射泵内部流动进行了二维数值计算,得到了喷射泵内部的流场分布、轴向压力变化。李素芬等定性地探讨了热力参数和几何参数对流场特性的影响规律。徐海涛、桑芝富等采用FLUENT 软件分别对蒸汽喷射泵内的超音速流动进行了数值模拟。但对于液环真空泵内的喷射器流动传热研究尚未看到报道。本文选择佛山水泵厂生产的P630 型液环真空泵喷射器为研究对象, 采用Ansys- CFX 流动软件对喷射器内流动传热进行数值模拟,分析流速、压力和温度等参数的变化对喷射器性能的影响,为优化喷射器结构,实现喷射器与液环真空泵的最佳匹配提供依据。

  液环泵配置喷射器能较大地提高液环泵在较低吸入压力下的抽气量和抽气效率,还能有效地预防液环泵内气蚀的发生。液环真空泵加装喷射器后,真空泵为喷射器提供了驱动气源。图1为液环真空泵喷射器示意图,气体在拉伐尔喷嘴中加速形成超音速射流,并且在喷嘴出口形成高真空,将被抽系统的气体抽走,使被抽系统形成真空。

液环真空泵喷射器

图1 液环真空泵喷射器

1、计算模型

1.1、物理模型的建立和网格生成

  流场的计算域由喷嘴、吸入室、混合室、扩散室,部分进口组成。应用Pro- E 软件创建喷射器的三维几何模型(图2)。采用CFX 的前处理模块ICEM 对计算域进行网格划分,由于喷射器的计算域是不规则的,在划分网格过程中使用了非结构化四面体网格并得到如图3、图4 所示的四面体网格单元。流场的网格单元数为19 万,节点数为3 万。

计算域的生成 喷射器四面体网格单元生成 混合室及喷嘴局部四面体网格

图2 计算域的生成 图3 喷射器四面体网格单元生成 图4 混合室及喷嘴局部四面体网格

1.2、求解器、边界条件及流体物性

  用CFX 求解中选取k-ε 湍流模型和Total energy 传热模型。流体进口、出口均采用压力边界条件。壁面边界采用无滑移、绝热边界条件,并使用标准壁面函数法确定固壁附近流动。引射气体、工作气体按理想气体假设,室温为22℃,大气压为102330 Pa。

2、模拟结果及分析

  图5、图6、图7 和图8 分别是设计压力(8000 Pa)下喷射器内的压力、马赫数、温度和喷射器轴心线上气体的密度分布。从中可以看到工作气体在拉伐尔喷嘴内压力、马赫数、温度、密度变化较为平稳。气体喷出喷嘴后压力和速度的剧烈变化,速度达到2.6 倍音速,气体压力、温度、密度突跃式骤降,从而在喷嘴出口附近形成激波。在拉伐尔喷嘴出口附近压力最小、速度最大、温度最低。在混合段,工作气体和引射气体发生剧烈混合,进行着动量和能量的交换,混合气体压力、温度有所上升。但由于截面逐渐收缩,气体受到压缩,温度和密度降低,马赫数增大,并形成激波。在扩散段,混合流体动能转换成压力能,压力增大,马赫数减少,温度上升。

喷射器压力分布 喷射器马赫数分布 喷射器温度分布 喷射器中心轴线上的密度分布

图5 喷射器压力分布(8000Pa) 图6 喷射器马赫数分布(8000Pa) 图7 喷射器温度分布(8000Pa) 图8 喷射器中心轴线上的密度分布

3、喷射器的引射气量计算及实验验证

  为验证本文计算结果的有效性,需要将液环泵加装大气喷射器的实测结果与模拟结果进行对比。喷射器性能测试是在广东佛山水泵厂的水泵测试站完成的,如图9 所示。整套系统符合国家标准,实验中测量了喷射器引射气量、引射压力、出口压力、轴功率等参数。

喷射器- 液环泵测试系统流程图引射压力和引射流量关系 

图9 喷射器- 液环泵测试系统流程图  图10 引射压力和引射流量关系

  图10 是不同引射压力下的引射流量实测和模拟结果的对比,其中引射体积流量的计算结果是从CFX 后处理中通过引射气量的质量流量和引射气体密度,按公式得到。从图中可看到模拟结果与实验结果符合较好,趋势基本一致,数值误差控制在5%以内。流动模拟与实测比较表明本文计算方法及结果,对模拟喷射器的三维流动传热性能预测、辅助喷射器的优化设计是现实可行的。

4、结论

  (1) 利用CFX 流动软件对液环泵喷射器的内部流动传热进行了数值模拟,通过分析喷射器内压力、温度、马赫数和密度的分布,得出喷射器内部复杂的流动传热机理,并分析喷嘴出口附近产生激波的成因。

  (2) 由数值模拟得到不同引射压力和引射流量的关系,并得到实验结果的验证,模拟结果与实验结果符合较好,误差控制在5%以内,为优化喷射器结构,改善液环泵系统性能提供了理论依据。

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