水蒸气喷射泵的数值研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学真空与流体工程研究所 作者:王晓冬

  建立了描述水蒸气喷射泵内部跨音速流动的理论模型。以FLUENT12.0为计算平台,采用计算流体力学(CFD)方法,获得沿喷射泵轴向静压分布数值模拟结果,并与实验数据进行对比,两者很好的一致性验证了理论模型的适用性。CFD数值模拟结果表明,数值模拟方法能够准确捕获到喷射泵内部跨音速激波流动行为,为理解喷射泵内在抽汽机制提供了帮助。基于湿蒸气模型的数值模拟结果显示,湿蒸气模型能够捕获到喷嘴内工作蒸气的自发凝结现象,更准确地预测了水蒸气喷射泵的抽气特性,对喷射泵的结构优化和性能提高更具指导意义。

  水蒸气喷射泵具有结构简单、工作稳定可靠等优点,为特定工艺提供一定的真空环境,在化工、冶金、石油、食品、制冷等工业领域有着广泛应用。水蒸气喷射泵内部流动过程十分复杂:工作介质(水蒸气)经拉瓦尔喷嘴,由滞止状态加速到超音速,并在混合室内造成低压(真空);在压差作用下,被抽气体进入混合室,并与高速运动的工作蒸气进行剧烈的能量和动量交换,最终两股流体经扩压器减速(至亚音速)增压,排到大气或被前级泵抽出,是一跨音速流动行为。水蒸气喷射泵结构组成、内部流动特性示意图如图1所示。

  喷射泵的抽气特性可用引射系数来描述。喷射泵引射系数定义为被抽气体质量流量与工作蒸气质量流量之比。引射系数与工作蒸气压力、被抽气体压力、泵出口压力(背压),有关,可归结为压缩比(背压与被抽气体压力之比)和膨胀比(工作蒸气压力与被抽气体压力之比)的函数关系。由于喷射泵内部流动的复杂性,经典一维数学模型要经过大量的简化,难以准确、全面描述喷射泵内的跨音速流动行为,对喷射泵引射系数的计算、喷射泵结构设计更多地依赖实验数据,只在有限范围内具有适用性。在特定操作参数条件下,水蒸气喷射泵引射系数与背压的关系如图2所示。当背压小于临界背压p*b时,引射系数保持不变,为泵的正常工作状态。当背压大于临界背压时,喷射泵的抽气性能急剧下降,当背压大于最大背压prb时,喷射泵失去抽气能力。喷射泵的设计工作点希望在临界背压左侧、并接近临界被压处,以保证背压在一定范围变化时,喷射泵具有稳定可靠的抽气能力。因此,准确确定喷射泵临界背压,成为喷射泵稳定工作和性能优化设计的关键,一直是喷射泵研究者和设计者关注的重点。

水蒸气喷射泵结构及其内部流动特性示意图

图1 水蒸气喷射泵结构及其内部流动特性示意图

水蒸气喷射泵引射系数与背压的关系曲线

图2 水蒸气喷射泵引射系数与背压的关系曲线

  随着数值计算理论不断完善、计算机运算能力的不断提高,计算流体力学(CFD)已经成为求解复杂流动和传热问题的重要方法,其丰富的可视化预测结果,为复杂流动内在机制的理解和分析提供了极大的帮助,对分析水蒸气喷射泵内部流动规律同样具有重要价值,为准确预测水蒸气喷射泵的临界背压、提高喷射泵抽气效率提供了新的重要途径。

  3.3、喷嘴内工作蒸气的自发凝结

  高压工作蒸气经拉瓦尔喷嘴加速膨胀过程中,其温度会急剧下降,将产生自发凝结现象。基于

  理想气体假设、湿蒸气模型预测的工作蒸气静压沿喷嘴轴向分布以及实验数据如图5所示。从中可见,湿蒸气模型能够捕获到蒸气自发凝结引起的压力突升(Wilson点),而理想气体模型过低地估计了喷嘴的出口压力,这会对喷射泵的数值模拟精度造成影响。

喷嘴内压力沿轴向分布

图5 喷嘴内压力沿轴向分布

  3.4、基于湿蒸气模型的数值模拟

  基于湿蒸气模型、理想气体模型对喷射泵抽气性能(引射系数)的数值模拟结果以及实验数据如图6所示。从中可见,基于湿蒸气模型的数值模拟结果与实验数据有很好的一致性,特别是能够较准确地预测临界背压、最大背压的大小,可为喷射泵的结构优化和性能提高提供帮助。

理想气体模型、湿蒸气模型模拟结果与实验数据对比

图6 理想气体模型、湿蒸气模型模拟结果与实验数据对比

4、结论

  (1)CFD方法作为流体流动与传热的研究工具,可以很好地预测喷射泵内的跨音速流动,使喷射泵的性能提高和结构优化的研究更为准确有效。

  (2)尽管有报道基于二维、三维几何模型获得的数值模拟结果差异不大,但研究表明两者的差异仍然存在,在计算能力不断提高的前提下,三维模拟将是今后喷射泵数值模拟研究的方向。

  (3)水蒸气喷射泵工作蒸气在喷嘴内的过度膨胀会引起蒸气的自发凝结,对喷射泵抽气特性将产生至关重要的影响。

  (4)基于湿蒸气模型的多相流动模拟可以更准确地预测喷射泵的抽气特性、临界背压、最大背压,是水蒸气喷射泵抽气特性研究的发展方向。

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