结构参数对大气喷射器性能影响的数值模拟研究

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中图分类号： TH3 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.07.007Numerical Simulation of Influence of Structural Parameters on the Performance of Jet EjectorGE Rui，TANG Jing，ZHENG Jin-xia，GAO Huan-fu(Jinan Railway Vehicles Equipment Co.Ltd.，of China CNR，Jinan 250000，China)Abstract： Taking the air ejector-the key component of a coach vacuum sanitation as an object，the commercial software Fluentwas used for the numerical simulation to analyze the effects of folowing important geometric parameters-length and taper angle ofnozzle inlet·length of nozzle and outspread throat·length and diameter of nozzle exit and the inlet an d outlet of the outspread on itsperformance.A reference is thus provided theoretically to the design of the air ejector。

Key words： air ejector；numerical simulation；performance；structural parameter1 前言大气喷射器是-种结构非常简单的真空元器件，因其产生真空快、真空度高、运行可靠等优点，在化工、电子、机械等行业得到了广泛的应用。

如环保、节能的新型旅客列车真空集便系统，大气喷射器为其核心元器件之-。其系统工作原理如图 1所示。

过滤减压阀以气源即压缩空气为工作介质，经过滤减压阀进人大气喷射器，使污物箱内较快产生-定真空度，通过排泄阀的开启，将便盆内的污物抽吸至污物箱内，喷射器再次将污物箱抽至要求真空度，等待下次工作∩知，喷射器的真空产生时间、产生真空度等工作性能对系统工作有着至关重要的影响。因此对其工作性能的研究，对系统中大气喷射器的选用、设计及优化有着重要的实际意义。

流体软件Fluent在亚声速及超声速流动中已经经过了大量算例的验证，不但可以得到较为准确的性能参数，克服了手工计算过于复杂、试验耗费较大的缺点，且可以详细地研究内部具体的流场形态及分布规律 J。因此本文利用其对大气喷射器进行数值模拟研究。

2 大气喷射器结构及性能参数图1 真空集便系统工作原理示意 2.1 大气喷射器的主要结构参数收稿 日期 ： 2012-06-29 修稿日期： 2013-06-042013年第4l卷第 7期 流 体 机 械 29根据工作原理可知，气流经人口至喷嘴喉部处逐渐加速当地音速，从喷嘴喷出时膨胀达到超音速。与吸人气体共同经扩张管排出后，速度减小为亚音速。图2为大气喷射器工作示意。

工作流体口真空接 口图2 大气喷射器工作不意虽然大气喷射器结构不算复杂，但其内部流动时发生的可压缩的超音速混合过程十分复杂，且存在着激波的相互作用，所以增加了对其研究的困难。目前已有较多的学者用数值模拟的方法对大气喷射器进行了较为深入的研究，多为喷射器结构尺寸-定的情况下，外界因素对其性能的影响研究 J。根据气体动力学中-元定常等熵流动时通流截面积与气流的速度二者的关系式：： (M2-1) (1)J c式中 .厂--通流截面积- - 马赫数c--流速由式(1)可知，喷嘴和扩张管的结构形状尺寸对大气喷射器工作性能有着决定性的影响。

- 些研究中利用试验或数值模拟的方法得到了喷嘴及扩张管最小直径或喷嘴距等对耗气量及排气量的影响关系 。对于-些理论得出的大气喷射器设计方法中，喷嘴、扩张管的人口及出口的直径、长度和锥角等结构尺寸给出的只是范围取值，实际的设计过程中的选择较为不便 J。因此，对大气喷射器喷嘴及扩张管人 口及出口的结构尺寸与工作性能关系的研究，可为喷射器结构参数的设计及优化提供理论依据和指导方向。

2.2 大气喷射器的主要性能参数(1)耗气量 G，：指从喷嘴流出的气体在基准状态下的质量流量或体积流量。

(2)排气量 G ：指从真空 口接口处吸入的气体的流量。当真空口接 口直接与大气相通时，其排气量最大，称为最大排气量。

与真空腔的绝对压强差值。当真空接口完全封闭，即排气量为零时，真空腔所能达到的真空度称为最大真空度。

(4)喷射系数 ：排气量 G 与耗气量 G 之比为喷射系数 u，为真空发生器工作效率的指标。

2.3 大气喷射器计算模型本文将根据已有设计经验计算所得喷射器基本模型，主要几何参数如图3所示。以大气喷射器在旅客列车真空集便系统中的使用情况为工作环境，车上气源供气范围为0.3～0.9MPa，且经过滤减压阀可调节。入 口选用压力入 口边界条件；出口选用压力出口边界条件，压力为 101325Pa。

计算采用理想气体模型。采用耦合求解器，二阶迎风格式进行离散。操作压力为 0Pa，即采用绝对压力表示。根据文献[10-13]中的结果对比，RNG K-8模型在预测气流激波、平均压力变化等方面更为合理，故湍流模型采用 RNG K-s模型。选用轴对称回转条件完成三维与二维问的转换。壁面选用无滑移、无渗流、绝热壁面边界条件的标准壁面。

图 3 大气喷射器结构简图图4为喷射器耗气量G，随工作气体压力P变化曲线，从图中可知，模拟结果的喷射器的 G随P 变化的趋势与试验结果完全-致，耗气量均随工作气体压力的增加而增加，二者结果最大相差为 8.8%，因此所述边界条件的设置和模型选择对喷射器的模拟是准确的，本文采用上述方法进行模拟分析。

12宝6删犍00.25 0.6O O.95工作气体压力(MPa)图4 耗气量随工作气体压力变化30 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.7，20133 计算结果及分析将喷嘴喉径 和扩张管喉径 船 取为定值，通过改变喷嘴人口锥角 、喷嘴喉部长 c、喷嘴出口长度 d及直径 e、扩张管人口直径 、扩张管喉长度 h、扩张管出ISl直径 等结构参数，研究各自的结构变化关系对工作性能的影响。为了便于分析，将创建的不同的模型分为2类：P ～P 8种不同喷嘴结构尺寸，如表 l所示，推荐了扩张管结构同为k。相同情况下，8种不同的喷嘴结构尺寸型号组合。k -k，7种不同扩张管结构尺寸，如表2所示，推荐了喷嘴结构同为P 型号情况下，7种不同的扩张管结构尺寸型号组合。

表 1 8种不同喷嘴结构尺寸型号 如 (mm) (。) 65(mm) c(mm) d(mm)pl 6 18 2.6 2.6 4 3.7p2 6 6O 2.6 2.6 4 3.7p3 6 1加 2.6 2.6 4 3.7p4 6 120 2.6 7.8 3 3.4P5 6 120 2.6 7.8 4 3.7P6 6 120 2.6 7.8 5 3.9p7 6 120 2.6 13 4 3.7P8 6 150 2.6 7.8 4 3.7表2 7种不同扩张管结构尺寸型号 6f(mm) (。) 4，g(mm) (mm) y(。) (mm)k1 l3 8 10 13 8 15k2 14 8 10 13 8 15k3 14 8 10 15 8 15k4 14 8 l0 18 8 15k5 14 8 10 l3 8 14k6 14 8 10 l3 8 16k7 16 8 10 l3 8 153.1 喷嘴结构对工作性能的影响图5(a)示出表 1中8种不同喷嘴型号的大气喷射器的耗气量G 随尸。变化的曲线。由图中可以看出，随P 的增加，8种型号喷射器 G 以相同趋势增加。其中P -P 的G 从大到小排列，说明随着喷嘴入口锥角和喉部长度的减小，会使喷射器 G，增加。由P 、P 、P 曲线重合可知，喷嘴出口直径与长度的改变，对喷射器 G 并无影响。

从图5(b)中可以看出，7种型号喷射器 G：总体变化趋势相同，0.5MPa后 G 随G。变化曲线斜率减嗅合(a)、(b)两图可以看出，P。存在最佳工作范围0.4～0.5MPa，使喷射器喷射系数 u值达到最优。

b- 删基I牲×对唧言赵越斗<嘣lO62l5l29O.3 0.6 0.9工作气体压力(MPa)(a)耗气量与工作气体压力曲线0.3 O.6 0.9工作气体压力(MPa)(b)排气量与工作气体压力曲线lO05510O3 O.6 0.9工作气体压力(MPa)(e)最大真空度与工作气体压力曲线图5 不l司的喷嘴结构对喷射器性能的影响从图5(c)中可以看出，7种型号喷射器最大真空度曲线变化差异较大，说明喷嘴结构尺寸的改变对喷射器最大真空度影响较大。由P 、P 、P可知在P。最佳工作范围内，喷嘴出口长度与直径存在最佳取值，使喷射器最大真空度值最大。当P 大于最佳工作范围时，最大真空度随喷嘴出口长度与直径的增加而减校通过比较图5(a)～(c)可总结出，喷嘴结构的改变使耗气量及排气量均有较大的改变。随着人口锥角角度和喉部长度的增加，喷射器工作性能得到综合的提高；在P。最佳工作范围内，当喷嘴喉部长度-定时后，入口锥角过大，使最高真空度降低显著，说明喷嘴人口锥角并不是越大越好，2013年第4l卷第7期 流 体 机 械 3l而是与喉部长度之间存在最优比，使喷射器性能最优；存在最优喷嘴出口长度与直径关系，使喷射器综合性能最优。

3.2 扩张管结构对工作性能的影响图6(a)示出表 2中，7种不同扩张管型号的喷射器的耗气量 G。随P。变化的曲线。从图中可以看出，当喷嘴结构尺寸-致时，7种不同扩张管型号的喷射器 G，相同。说明喷射器 G 与扩张管结构与尺寸无关。从图6(b)为中可以看出，当喷嘴结构及扩张管喉部直径-定时，扩张管结构的改变对 G：有着很大的影响♂合 6(a)、(b)两图可知，不同扩张管结构尺寸下，也存在最佳 P。工作范围0.4～0.5MPa，使喷射器喷射系数 值达到最优。

言 - 船犍l062l5曼×面9O3 O.6 0.9工作气体压力(MPa)(a)耗气量与工作气体压力曲线0.3 0.6 0.9工作气体压强(MPa)(b)排气量与工作气体压力曲线100魁55掀嘣l00.3 0.6 0.9l丁作气体压力(MPa)(c)最大真空度与工作气体压力曲线图6 不同的扩张管结构对喷射器性能的影响图6(C)示出表2中，7种不同扩张管型号的喷射器的最大真空度 P随P 变化的曲线。从图中可以看出7种型号的曲线趋势变化几乎-致，说明扩张管结构尺寸的改变对喷射器最大真空度的影响较校通过比较图6(a)-(c)可总结出，当喷嘴结构-定时，扩张管结构的改变由于对排气量有较大的影响，即对喷射系数的影响较大，而最高真空度的改变并不如喷嘴结构改变情况如图5(e)的影响大。在 P。最佳工作范围内，随扩张管人口直径的增加，喷射系数增加，但最高真空度降低。随扩张管喉部长度的增加，喷射系数增加，最高真空度也增加。随扩张管出口长度和直径的增加，喷射系数和最高真空度均增加。

4 结论(1)存在最佳工作气体压力P。范围，使喷射器综合性能达到最优。合理增加喷嘴人口锥角和喉部长度可以减心气量，提高喷射器工作性能。

在最佳P 范围内，喷嘴人口锥角与喉部长度之间存在最优比，使喷射器性能最优；(2)耗气量不受喷嘴出口长度与直径的影响。在最佳P。范围内，存在最优喷嘴出口长度与直径关系，使喷射器综合性能最优。大于最佳P ，最大真空度随喷嘴出口长度与直径的增加而减小；(3)在喷射器整体尺寸允许范围内旧能增加扩张管的长度及出口直径，可以提高喷射器工作性能。而扩张管人口直径的增加有利于喷射系数的增加，使得喷射器工作速度加快，但却使最大真空度降低；(4)要得到较快的抽吸速度还是要得到较大的真空度，需要根据实际工作要求进行决定要较高的喷射器的喷射系数还是最高真空度，择优选择适合的喷嘴及扩张管结构。或者二者结构折中考虑以提高喷射器综合工作性能。