几何参数对空气射流器性能影响的数值仿真研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华中科技大学环境科学与工程学院 作者:高飞

  空气射流器是长途客车车载真空厕所系统的核心部件,一定压力的压缩空气通过空气射流器将产生抽吸便器内污水所需的真空。以空气射流器为研究对象,利用FLUENT 商业软件对其内部流场进行数值模拟。分析了喷嘴距、等截面混合室长度以及扩散段锥角等3 个几何参数对空气射流器性能的影响,为此类空气射流器的设计提供了一定的理论支持。

  长途客车车载真空厕所系统是以真空为动力将粪便及少量冲水抽吸进集便箱,与直排式和间接直排式车载厕所相比具有以下优点:①不会对公路及周边环境造成环境污染;②耗水量少,约0.8L/ 次,不仅有利于节约用水,而且可以减小水箱和集便箱的体积和重量;③整套系统是封闭的,不易堵塞管道,不会造成臭气外溢。

  空气射流器是长途客车车载真空厕所系统的核心部件,它是以空气作为工作介质来抽吸和压送气体(被抽气体称为引射介质),以获取真空的射流器。图1 为长途客车车载真空厕所系统的工作原理图。冲洗厕所的过程为:t = 0 s 时,按下冲洗按钮,控制阀5 打开,压缩空气存储罐1(容积为0.1 m3) 中具有一定压力的压缩空气经减压阀4 压力降至0.2~0.3 MPa,其中一部分压缩空气将增压器8 内的水压入便池9;另一部分压缩空气将换向阀20 打开,压缩空气存储罐中的压缩空气经过减压阀21 后进入空气射流器18,在空气射流器的作用下,真空箱11(容积5 L 左右)内迅速形成真空。t = 2 s 时,延时阀17 在时间继电器作用下打开,界面阀10 在0.2~0.3 MPa 的压缩空气作用下打开,便池9 中的粪便污水在具有一定压力的少量冲水及气压差的作用下被抽吸进真空箱11。t = 5 s 时,控制阀5、延时阀17、换向阀20 和界面阀10 关闭,此时真空箱内真空消失,隔板12 打开,粪便污水在重力作用下落入集便箱13并暂存其中,隔板关闭。水箱中的水在重力作用下流入增压器(容积为0.8 L)。客车运行过程中产生的压缩空气存储于压缩空气存储罐中。

  空气射流器通常由喷嘴、吸入室、等截面混合室和扩散室四部分组成(如图2 所示)。具有一定压力的压缩空气流通过喷嘴加速形成超音速射流,在喷嘴出口处呈扇形射出,并形成一个低压区,由于气体的粘性,高速气流卷吸周围的气体,引射气体(吸入室、真空箱及连接管道内的常压空气)在压力差的作用下,不断向低压区流动,与工作气体发生混合,而后形成一股单一均匀的混合流体,混合流体在扩散室内经减速压缩到标准大气压后排出空气射流器。此时,吸入室和真空箱内具有一定的真空度,从而实现了对真空箱抽真空的目的。因此,车载真空厕所空气射流器的工作能力可以用真空箱内获得的真空度来表征。

车载真空厕所系统工作原理图

1.压缩空气存储罐; 2. 压力表3.15.16. 空气过滤器; 4.21. 减压; 5.控制阀; 6.水箱; 7.单向阀; 8.增压器; 9.便池; 10.界面阀;11. 真空箱; 12. 隔板; 13. 集便箱; 14. 消声器; 17. 延时阀; 18. 空气射流器; 19.真空表; 20.换向阀;

图1 车载真空厕所系统工作原理图

空气射流器示意图

图2 空气射流器示意图

  由索科洛夫一维分析方法可得空气射流器的基本模型,其主要几何参数如图2 所示。由于车载真空厕所系统是利用压缩空气通过空气射流器对密闭的真空箱抽真空,因此本文应用CFD 软件FLUENT 6.3对空气射流器内部流场进行数值分析的过程中,将被抽气体入口设定为壁面。这时,可将真空箱视为吸入室的一部分。为了简化计算,进行数值模拟的过程中,增加吸入室的体积以替代真空箱,增加体积的大小约等于真空箱的体积,这样以来,对真空箱抽真空可近似看成是对引射流体入口已封闭的吸入室抽真空。以此为基础,通过改变基本模型的几何参数,研究了不同工作流体压力下喷嘴距(简写为NXP,其定义为工作喷嘴出口到等截面混合室入口之间的距离)、等截面混合室长度(L1)以及扩散段锥角(θ)等3 个结构参数在t = 2 s 时对吸入室内获得的真空度的影响。

3、结论

  本文利用CFD 软件FLUENT 对无引射流体入口的空气射流器内部流场进行了数值模拟,研究了工作流体压力Pp 在其临界压力范围内变化时,喷嘴距(NXP)、等截面混合室长度(L1)以及扩散段锥角(θ)等3 个几何参数对吸入室在t=2 s 时获得真空度的影响。根据数值模拟研究结果,可以得到如下结论:

  (1)对于一定结构的空气射流器,存在着临界工作流体压力P *p,当工作流体压力Pp< P *p时,吸入室内获得真空度随着工作流体压力的增加而增加,当Pp> P *p时,吸入室内获得真空度随着工作流体压力的增加而下降。

  (2) 当工作流体压力在P *p范围内变化时,最优喷嘴距(NXP)随着工作流体压力的增加而减少;同时,最优NXP 随着等截面混合室直径D3的增加而增加。

  (3) 当工作流体压力在P *p范围内变化时,最优等截面混合室长(L1) 随着工作流体压力的增加而增加;同时,最优L1 随着喷嘴距NXP 的增加而减少。

  (4)对于一定结构的空气射流器,存在着最优扩散室锥角(θ),当扩散室锥角大于最优θ 时,吸入室内真空度几乎没有变化,并且最优θ 不随工作流体压力和喷嘴距的变化而变化。

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