針對目前使用的射流式真空發(fā)生器耗氣量大的局限性，提出了一種帶可調(diào)錐的流量自調(diào)式射流真空發(fā)生器的新結(jié)構(gòu)。為了解決該真空發(fā)生器在減少耗氣量與維持真空度之間的矛盾，以尋求最佳的流量調(diào)節(jié)方案，需要對調(diào)節(jié)過程的二維流場和可調(diào)錐的受力進行高精度的分析。為此對該型真空發(fā)生器內(nèi)部超音速流場進行了數(shù)值模擬，分析了可調(diào)錐的不同工況對流道內(nèi)流場中壓力和馬赫數(shù)分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著可調(diào)錐進入真空噴管喉部距離x的增大，可調(diào)錐對真空噴管內(nèi)的流場擾動加劇，真空發(fā)生器的引射能力減弱。因此，為了保證正常工作所需的真空度并達到最大的節(jié)能效果，應(yīng)將可調(diào)錐進入真空噴管喉部的距離控制在一定的范圍內(nèi)。分析表明，如果可調(diào)錐進入噴管喉部的距離不超過2mm，則可使最低真空度大于65kPa，并能減少30%的耗氣量。

1、引言

　　真空發(fā)生器作為一種局部真空發(fā)生裝置以其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于目前使用的射流式真空發(fā)生器在工作時必須持續(xù)定量供氣，空氣消耗量很大，相應(yīng)耗能也大。因此，如何解決真空發(fā)生器在使用中耗能大的問題，同時又要達到其原有的工作性能指標(biāo)，是真空發(fā)生器研制中需要解決的一項技術(shù)難題。

　　為此，我們提出了一種流量自調(diào)式射流真空發(fā)生器的總體技術(shù)方案，并申請了國家發(fā)明專利(專利申請?zhí)?00610040832.1)。該技術(shù)方案中，在拉瓦爾真空噴管前方設(shè)置了可調(diào)錐，在真空產(chǎn)生階段，可調(diào)錐離噴管喉部具有一定距離，對真空噴管的通流面積沒有影響，真空發(fā)生器可以快速響應(yīng)建立設(shè)定的真空度；在真空維持階段，通過控制可調(diào)錐進入噴管喉部的距離可實現(xiàn)對真空發(fā)生器供氣流量的調(diào)節(jié)。前期的試驗研究已經(jīng)初步證實了該技術(shù)方案的有效性，當(dāng)可調(diào)錐進行調(diào)節(jié)時，可以減少供氣流量。但同時也發(fā)現(xiàn)，此時真空發(fā)生器的維持真空度也會有所下降。所以，為了保證該真空發(fā)生器能夠維持正常工作所需真空度，同時也能達到最大的節(jié)能效果，需要確定合理的可調(diào)錐調(diào)節(jié)策略，這就需要對可調(diào)錐的調(diào)節(jié)過程及可調(diào)錐的受力進行精確的分析。實際上，該型真空發(fā)生器噴嘴喉部的形狀和面積是變化的，流動過程涉及亞聲速和超聲速兩個階段，此外，在變截面情況下其流動是二維的，比較復(fù)雜。所以，采用傳統(tǒng)的一維集中模型分析方法無法給出真空發(fā)生器內(nèi)部流體流動精確的速度分布、壓力分布、能量損失等信息，因而也就無法對可調(diào)錐部件進行正確的設(shè)計和控制，這是該型真空發(fā)生器研制中面臨的一個難題。所以，進行流量自調(diào)式真空發(fā)生器內(nèi)部流場精確的數(shù)值分析，對該型真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及可調(diào)錐的合理調(diào)節(jié)是十分必要的。

2、采用可調(diào)錐的流量調(diào)節(jié)原理

　　普通的射流式真空發(fā)生器主要由先收縮后擴張的拉瓦爾噴管、被引射腔和混流管等組成，如圖1a所示。當(dāng)供氣壓力與噴管喉部壓力的比值大于一定值時，供給氣體在拉瓦爾噴管中加速形成超聲速射流，引射流體在超聲速射流的剪切作用下被卷吸至混合腔，而后形成單一均勻的混合流體，經(jīng)過第二喉管和擴散腔減速壓縮到一定的背壓后排出真空發(fā)生器。在混合的過程中，由于激波系和邊界層不斷地進行相互作用，從而形成了極為復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)，再加上粘性干擾等物理現(xiàn)象使得對真空發(fā)生器內(nèi)部氣體流動狀態(tài)的理論描述變得十分復(fù)雜。

　　我們所提出的采用可調(diào)錐的流量自調(diào)式真空發(fā)生器的流量調(diào)節(jié)原理如圖1b所示。在真空發(fā)生器拉瓦爾噴管的前方設(shè)置一個與其同軸的可調(diào)錐，當(dāng)真空發(fā)生器的工作真空度達到一定值時，調(diào)節(jié)可調(diào)錐沿軸向方向的位移，改變真空噴管喉部的有效流通面積，從而減小真空發(fā)生器的供氣流量，達到節(jié)能的目的。詳細的調(diào)節(jié)原理請參見文獻。

圖1 真空發(fā)生器工作原理示意

3、變截面二維流場的數(shù)值模擬研究

　　考慮真空發(fā)生器被引射腔入口截面處引射流體的速度與工作流體相比很小，因此將圖1a中被引射腔的側(cè)向入口簡化成軸向環(huán)形入口，這樣便可將真空發(fā)生器內(nèi)部氣流管道簡化為沿軸線的變截面圓管道，并假設(shè)流場具有軸對稱性，所以可將流場計算域簡化成二維的軸對稱模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明，這種簡化所帶來的計算差值非常小，但計算量大大減少。

　　3.1、控制方程

　　非定�？蓧嚎s的射流滿足如下的Navier-Stokes方程：

　　其中，8為控制體，98為控制體邊界，W為求解變量，F(xiàn)為無粘通量，G為粘性通量，H為源項。

　　式中Q——流體的當(dāng)?shù)孛芏�，kg/m3；u、v、w——流體的速度分量，m/s；E——單位體積總能量，J；p——流體壓力，Pa

　　3.2、計算模型及網(wǎng)格劃分

　　模擬研究中使用的部分參數(shù)是：可調(diào)錐錐頂角A=2arctan(1/4)，可調(diào)錐錐面在軸向方向的投影長度為4mm，拉瓦爾噴管喉部直徑為2mm，真空噴管入口錐角為100b，第二喉管直徑為5.2mm。圖2給出了真空發(fā)生器的計算模型網(wǎng)格劃分，為了便于顯示，圖中只給出了實際計算網(wǎng)格密度的20%。網(wǎng)格劃分采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為捕捉激波和邊界層，在真空噴管的出口及工作氣體與引射氣體的混合面上進行了適當(dāng)?shù)募用堋６�維模擬計算模型的中心邊界為對稱軸，各變量在對稱軸法線方向的梯度及垂直于對稱軸的速度為零。

圖2 真空發(fā)生器內(nèi)部流道的網(wǎng)格劃分

　　采用二階精度的有限體積法離散控制方程，采用標(biāo)準(zhǔn)k-E湍流模型，近壁面處使用壁面函數(shù)修正的方法對真空發(fā)生器的超音速混合過程進行數(shù)值模擬。時間離散采用多重Runge-kutta顯式格式迭代，并采用多重網(wǎng)格方法加速迭代收斂、自適應(yīng)網(wǎng)格方法捕捉激波，以期獲得與網(wǎng)格無關(guān)的解。

　　工作氣體和引射氣體入口邊界均采用壓力入口邊界，給定滯止壓力、滯止溫度和湍流條件；混合流體的出口邊界采用壓力出口邊界，給定靜壓及回流條件；固體壁面采用無滑移、無滲流、絕熱邊界。

　　3.3、模擬結(jié)果分析

　　3.3.1、可調(diào)錐調(diào)節(jié)距離對流場的影響

　　設(shè)可調(diào)錐進入真空噴管喉部的距離用x表示(如圖1b所示)。分別對無可調(diào)錐時以及x=0、x=0.5mm、x=1.0mm、x=1.5mm、x=2.0mm、x=2.5mm等7種情況進行了分析計算。為簡便起見，圖3中a)~d)只列出了無可調(diào)錐、x=0、x=1.0mm、x=2.0mm等幾種條件下對應(yīng)的馬赫數(shù)分布圖。

圖3 流動馬赫數(shù)分布圖

　　圖4給出了無可調(diào)錐以及有可調(diào)錐(x=0)兩種條件下的馬赫數(shù)分布曲線和沿軸線的靜壓力分布曲線對比。從圖4中可以看出，對應(yīng)x=0的情況，可調(diào)錐的存在對真空發(fā)生器內(nèi)氣體流動的影響是使真空噴管喉部初始段的流場產(chǎn)生了一些微小的擾動，使馬赫數(shù)略微增大，靜壓力略微減小，并伴隨有微小值的波動。但是這種小擾動很快就被衰減并消失，所以并沒有影響到混合腔及第二喉管中的流場結(jié)構(gòu)，兩種計算情況下流場的流動馬赫數(shù)分布和沿軸線的靜壓力分布基本相同。這說明在可調(diào)錐未進入真空噴管喉部前，可調(diào)錐的存在基本上不會對真空發(fā)生器的內(nèi)部流場產(chǎn)生影響，因此不會影響真空發(fā)生器的工作性能。

圖4 有、無可調(diào)錐時真空發(fā)生器內(nèi)部流場的對比

　　圖5給出了從x=0變化到x=2.5mm幾種計算條件下真空發(fā)生器內(nèi)部流場的馬赫數(shù)分布曲線和沿軸線的靜壓力分布曲線。結(jié)合圖3和圖5可以看出，隨著可調(diào)錐進入真空噴管喉部的距離x的增大，真空噴管喉部內(nèi)的馬赫數(shù)增大，超音速區(qū)域提前，且超音速區(qū)域內(nèi)的馬赫數(shù)值的振蕩也在加劇，說明可調(diào)錐對真空噴管喉部流場的擾動加劇。同時，混合腔內(nèi)的超音速馬赫錐(射流核心區(qū)域)的長度隨x的增大不斷減小直至完全消失，極限真空區(qū)由混合腔向拉瓦爾噴管漸擴出口段內(nèi)移動，混合腔內(nèi)的真空度水平下降。另一方面，隨著x值的增大，第二喉管中的馬赫數(shù)水平也在不斷減小，引射能力逐漸減弱，第二喉管內(nèi)的絕對壓力呈上升的變化趨勢。

圖5 可調(diào)錐不同位置下的流場對比

　　在所計算的幾種情況中，當(dāng)x[210mm時，第二喉管中的馬赫數(shù)都大于(或等于)1，說明在這些計算條件下第二喉管仍能保持超音速(或音速)流動；在x=210mm的計算條件下，混合腔內(nèi)的極限真空度仍可達到65kPa。當(dāng)x=2.5mm時，在第二喉管中馬赫數(shù)小于1，壓力高于0.1MPa，說明該區(qū)域內(nèi)的流動已經(jīng)減速為亞音速流動，而混合腔內(nèi)的真空度已減小到40kPa，說明此時真空發(fā)生器抽取真空的能力已經(jīng)很弱，已無法滿足真空系統(tǒng)正常工作的需要。

　　3.3.2、流場中流動氣體對可調(diào)錐的作用力

　　由于可調(diào)錐與真空發(fā)生器的內(nèi)部流道同軸，且內(nèi)部流道中流場具有軸對稱性，因此，當(dāng)具有一定壓力的流動氣體繞過可調(diào)錐時，流動氣體作用在可調(diào)錐上的氣壓力徑向分力相互抵消。忽略氣體流動時的重力和粘性摩擦力對可調(diào)錐的作用，則可調(diào)錐受氣壓力的作用如圖6所示。設(shè)工作氣體在可調(diào)錐左端面上的氣壓力為ps，在右側(cè)錐形壁面上的氣壓力分布函數(shù)為pi，則可調(diào)錐位于氣體流動流場中所受到的氣壓力合力可表示為：

　　式中Fleft——作用在可調(diào)錐左端面上的氣壓力合力，N；Fright——作用在可調(diào)錐錐面上的氣壓力合力，N；ps——可調(diào)錐左端面的氣壓力，Pa；pi——可調(diào)錐錐形壁面上的氣壓力，Pa；d——可調(diào)錐圓柱段的直徑，mm；l——可調(diào)錐錐面在軸向的投影長度，mm；A——可調(diào)錐錐頂角，A=2arctand2l

　　圖7a給出了對應(yīng)可調(diào)錐進入真空噴管喉部不同距離x時計算得到的可調(diào)錐錐形壁面上的氣壓力分布pi。圖中橫坐標(biāo)的設(shè)置如圖6所示，坐標(biāo)零點為可調(diào)錐圓柱面和圓錐面的交截面與軸線的交點，向右為z軸正向。從圖7中可以看出，隨著x的增大，可調(diào)錐錐形壁面上的較高壓力區(qū)長度逐漸減小，較低壓力區(qū)長度變長，且由高壓區(qū)向低壓區(qū)變化時的梯度增大。圖7b給出了對應(yīng)不同x值下的流動氣體對可調(diào)錐的氣壓力合力F�？梢钥闯�，隨著x的增大，可調(diào)錐上受到的向右的正向合力逐漸增大，說明氣壓力有推動可調(diào)錐向喉部運動的作用。

圖6 流動氣體對流場中可調(diào)錐的作用力

圖7 可調(diào)錐不同位置時的氣壓力分布和氣壓力合力

　　3.4、試驗驗證

　　試驗測量了可調(diào)錐進入真空噴管喉部不同距離時的真空度和供給流量。圖8a給出了真空度的試驗與計算結(jié)果對比�？梢钥闯觯�試驗和計算得到的真空度具有相同的變化趨勢，隨著x值的增大，真空發(fā)生器所能達到的極限真空度逐漸減小，并且以x=2.0mm為拐點，在拐點之前，下降斜率較小，在拐點之后，下降斜率急劇增大。

圖8 試驗驗證

　　試驗中，當(dāng)x=2.0mm時，真空度仍可達到69kPa；當(dāng)x=2.5mm時，真空度值急劇下降，為43kPa；當(dāng)x=3.0mm時，真空度僅為16kPa，基本上喪失了真空抽取的能力。若以真空發(fā)生器的極限真空度不能低于65kPa為衡量真空發(fā)生器能否正常工作的標(biāo)準(zhǔn)，可以認為可調(diào)錐進入噴管喉部的距離不應(yīng)超過2.0mm，這與計算的結(jié)果是一致的。定義一個表示供給流量節(jié)約程度的百分數(shù)為：

　　式中Q1——無可調(diào)錐時真空發(fā)生器的氣體供給流量，kg/s；Qi——對應(yīng)不同x值的氣體供給流量，kg/s；

　　圖8b給出了不同x值條件下供給流量節(jié)約百分比的試驗和模擬計算結(jié)果的對比�？梢钥闯�，試驗和計算結(jié)果基本一致，且x值越大，節(jié)約的供給流量百分比越大，說明節(jié)能效果越好，但結(jié)合圖8a可知，此時所能產(chǎn)生的真空度水平也會越低。因此，在確定流量自調(diào)式真空發(fā)生器可調(diào)錐的實際調(diào)節(jié)策略時，應(yīng)對供給流量和真空度兩個方面進行綜合考慮。例如，若以真空發(fā)生器的極限真空度不能低于65kPa為衡量真空發(fā)生器能否正常工作的標(biāo)準(zhǔn)，則對應(yīng)本研究中所使用的流量自調(diào)式真空發(fā)生器來說，可以認為可調(diào)錐進入噴管喉部的距離不應(yīng)超過2.0mm，此時供給流量可節(jié)約近30%。

4、結(jié)論

　　為了尋求流量自調(diào)式射流真空發(fā)生器中可調(diào)錐的最佳調(diào)節(jié)方案，使該真空發(fā)生器真空維持階段在保證正常工作所需真空度的要求下達到最好的節(jié)能效果，對流量自調(diào)式真空發(fā)生器內(nèi)部的超音速流場進行了數(shù)值模擬和試驗研究，得到了以下的結(jié)論：

　　(1)分析了可調(diào)錐不同工況下流量自調(diào)式真空發(fā)生器內(nèi)部流場的壓力和速度分布，分析表明當(dāng)可調(diào)錐未進入噴管喉部之前，可調(diào)錐的存在對真空發(fā)生器的內(nèi)部流場不會產(chǎn)生影響；當(dāng)可調(diào)錐進入噴管喉部后，對喉管內(nèi)的流場產(chǎn)生擾動，且擾動隨可調(diào)錐進入噴管喉部距離的增大而變得劇烈，真空發(fā)生器的引射能力逐漸下降，極限真空度逐漸減小。

　　(2)隨著可調(diào)錐進入噴管喉部距離的增大，可調(diào)錐上受到的氣壓力合力逐漸增大，該氣壓力有推動可調(diào)錐向喉部運動的作用。

　　(3)通過分析和試驗可以獲得可調(diào)錐的調(diào)節(jié)策略為：可調(diào)錐進入真空噴管喉部的距離應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，這一范圍由實際正常工作所需的最低真空度決定。如果可調(diào)錐進入噴管喉部的距離不超過2mm，則可使最低真空度大于65kPa，并能達到減少約30%耗氣量的效果。