運用兩種網(wǎng)格模擬計算液環(huán)泵噴射器流場的比照分析本文以P360型液環(huán)泵噴射器作為研究對象，分別采用構(gòu)造和非構(gòu)造計算網(wǎng)格，應(yīng)用RNGk-ε湍流模型對噴射器的超音速混合氣體流場開展了數(shù)值模擬。計算得到了兩種網(wǎng)格條件下噴射器內(nèi)的壓力、馬赫數(shù)及溫度等參數(shù)的分布規(guī)律。通過與實測結(jié)果比照說明，采用構(gòu)造網(wǎng)格計算得到的液環(huán)泵噴射器性能與實測結(jié)果較為吻合，也能較好地捕捉到噴射器內(nèi)激波膨脹波交替循環(huán)的流場構(gòu)造。

在液環(huán)泵真空系統(tǒng)中，噴射器經(jīng)常作為液環(huán)泵的上游設(shè)備，起著提高吸入真空度和增大吸氣量的作用，還可有效改善液環(huán)泵腔內(nèi)低壓造成的汽蝕、振動和噪聲等問題。如圖1所示，噴射器出口與液環(huán)泵入口相接，當液環(huán)泵啟動時，噴嘴進氣口與排氣口之間形成壓差；工作氣體流經(jīng)收縮噴嘴后形成高速射流，吸氣室的壓力低于引射壓力使引射氣體進入吸氣室內(nèi)；兩股氣流在吸氣室內(nèi)混合后進入液環(huán)泵，經(jīng)增壓后排出泵外，即完成了整個系統(tǒng)的吸氣、排氣過程。

圖1液環(huán)泵—噴射器工作原理

有關(guān)噴射器的研究工作目前大多采用理論分析、數(shù)值計算的方法。例如于文艷等采用FLUENT軟件對蒸汽噴射泵器開展了數(shù)值模擬，分析了噴射器工作壓力、引射壓力等參數(shù)變化對噴射系數(shù)的影響。單勇等通過對波瓣噴管引射-混合器的流場開展了數(shù)值計算，得到了流向渦和正交渦產(chǎn)生、衰減的規(guī)律。姚亞夫等采用ANSYS軟件對Laval噴管內(nèi)的混合氣流場開展了有限元數(shù)值模擬，得到了較直觀的混合氣體流動軌跡。黃思等模擬計算了液環(huán)泵噴射器內(nèi)的氣體流動，探討了構(gòu)造參數(shù)對噴射器內(nèi)部流場及性能的影響。

由于噴射器是復(fù)雜的三維構(gòu)造，上述研究在計算中均采用了非構(gòu)造的網(wǎng)格，在計算精度方面可能會造成一定的偏差。本文借助ANSYS-CFX軟件，分別采用構(gòu)造網(wǎng)格和非構(gòu)造網(wǎng)格對常用的液環(huán)泵噴射器開展數(shù)值模擬并通過實測數(shù)據(jù)的驗證，為液環(huán)泵噴射器構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。1、計算模型及網(wǎng)格劃分

1.1、計算域和網(wǎng)格生成

選取常用的P360型液環(huán)泵噴射器作為研究對象。如圖2所示，該噴射器計算域由進氣段、噴嘴、引射吸入室、混合室和擴壓室組成。借助ICEM網(wǎng)格生成軟件，對噴射器計算域分別構(gòu)造了六面體的構(gòu)造網(wǎng)格和四面體的非構(gòu)造網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)均為80萬左右，如圖3所示。

圖2噴射器計算區(qū)域

圖3噴射器計算網(wǎng)格(中心剖面)

1.2、計算模型及邊界條件

液環(huán)泵噴射器內(nèi)的氣流視為理想氣體的絕熱過程，選取RNGk-ε湍流模型開展湍流計算。工作氣體入口、引射氣體入口以及噴射管出口邊界條件均采用靜壓值和溫度值，為配合實驗工況，選取以下的數(shù)值范圍作為邊界條件：引射壓力P引=2000～16000Pa(絕對壓力，下同)，出口壓力(背壓)P出=10500～17000Pa，工作壓力均采用一個標準大氣壓，P工=101325Pa，環(huán)境溫度為28℃。2、計算結(jié)果分析

2.1、馬赫數(shù)分布

根據(jù)上述的噴射器工況條件分別開展了模擬計算。作為例如，圖4和圖5分別給出了噴射器計算域中心截面的馬赫數(shù)分布云圖和軸心線的馬赫數(shù)分布曲線(P引=6000Pa，P出=12400Pa)。由圖可見，使用兩種網(wǎng)格計算得到的噴射器射流核心區(qū)流速均超過音速，即M>1。由以往的研究結(jié)果得知，當超音速噴嘴出口壓力低于環(huán)境壓力時，會在噴嘴出口產(chǎn)生斜激波，經(jīng)過混合層反射再轉(zhuǎn)為膨脹波，如此交替循環(huán)形成網(wǎng)格模式直至衰減。

射流核心區(qū)的壓力、流速、溫度等參數(shù)也相應(yīng)地產(chǎn)生周期性波動。采用構(gòu)造網(wǎng)格計算得到的馬赫數(shù)等值線云圖(圖4a)在射流核心區(qū)可以看出有明顯的網(wǎng)格模式，軸心線的馬赫數(shù)曲線沿著流動方向也有明顯的周期性波動(圖5)。而采用非構(gòu)造網(wǎng)格計算得到的馬赫數(shù)分布則看不出有類似的網(wǎng)格模式(圖4b)和波動規(guī)律(圖5)，說明采用構(gòu)造網(wǎng)格計算能較好地捕捉到噴射器內(nèi)的激波膨脹波交替循環(huán)的流場構(gòu)造。

圖4噴射器中心截面的馬赫數(shù)分布云圖

(P引=6000Pa，P出=12400Pa)

圖5馬赫數(shù)沿噴射器軸心線的分布曲線

(P引=6000Pa，P出=12400Pa)

2.2、壓力分布

圖6和圖7分別給出噴射器內(nèi)中心截面的壓力分布云圖和軸心線上的壓力分布曲線(P引=6000Pa，P出=12400Pa)。由圖可見，使用構(gòu)造網(wǎng)格計算得到的壓力分布在射流核心區(qū)以引射壓力值為基準上下波動(圖7)；氣體進入混合室后壓力值才穩(wěn)定持續(xù)上升，最終到達噴射器出口壓力。使用非構(gòu)造網(wǎng)格計算則捕捉不到壓力分布在射流核心區(qū)類似的波動規(guī)律。

圖6噴射器中心截面的壓力分布云圖

(P引=6000Pa，P出=12400Pa)

圖7壓力沿噴射器軸心線的分布曲線

(P引=6000Pa，P出=12400Pa)

2.3、溫度分布

圖8和圖9分別給出噴射器內(nèi)中心截面的溫度分布云圖和軸心線上的溫度分布曲線(P引=6000Pa，P出=12400Pa)。由圖可見，使用構(gòu)造網(wǎng)格計算得到的射流核心區(qū)的溫度分布在一段范圍內(nèi)處于不穩(wěn)定的低溫狀態(tài)(圖8a，圖9)。氣體進入擴壓室后溫度值迅速上升。而采用非構(gòu)造網(wǎng)格計算得到的射流核心區(qū)僅有很小的低溫區(qū)域，隨后氣溫沿著流動方向平緩上升(圖8b，圖9)。

圖8噴射器中心截面的溫度分布云圖

(P引=6000Pa，P出=12400Pa)

圖9溫度沿噴射器軸心線的分布曲線

(P引=6000Pa，P出=12400Pa)3、實驗驗證

液環(huán)泵噴射器的性能測試在某省***水泵廠公司的水泵測試站完成。該測試站采用多功能參數(shù)測量儀的自動測試系統(tǒng)，整套系統(tǒng)到達國家B級精度水平。液環(huán)泵真空系統(tǒng)由P360型噴射器與2BE13563型液環(huán)泵組合，液環(huán)泵轉(zhuǎn)速：590r/min，供水量：26m3/h，室溫：28℃。實驗方法是通過閥門調(diào)節(jié)不同的引射壓力和液環(huán)泵入口壓力，測出相應(yīng)的吸入氣量值。圖10是采用兩種網(wǎng)格計算的吸入氣量與實測值的比照結(jié)果。

圖10模擬計算與實測結(jié)果的比照

由圖可見，采用構(gòu)造網(wǎng)格計算得到的吸入氣量與實測結(jié)果吻合較好。4、結(jié)論

本文借助ANSYS-CFX流動軟件，分別采用構(gòu)造網(wǎng)格和非構(gòu)造網(wǎng)格對常用的液環(huán)泵噴射器氣體流場開展了數(shù)值模擬，通過與實測結(jié)果的比照驗證，得到以下結(jié)論。

(1)設(shè)計工況下液環(huán)泵噴射器內(nèi)的氣流屬超音速流動，在射流核心區(qū)將產(chǎn)生