負壓輸送中真空發生器真空度特性分析

王中醫，姜鵬，李忠毅，李勇，郭喜龍

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

0 引言

在管道輸送系統中，真空度是衡量一個真空發生器工作能力的重要指標。同一工況下，真空發生器所能達到的真空度越大，其輸送能力就越強。徐文燦教授率先對真空發生器進行了全面的理論研究和分析，通過關閉和打開引射流體入口面，探討不同情況下內部流體的流動參數隨工作流體壓力變化情況[1]。2002年姚朝輝建立了真空發生器響應時間和真空度時間變化的數學計算模型[2]。2016年南京理工大學李昊軍教授采用定量的方法描述了多級真空發生器的抽氣特性，得出了多級真空發生器在腔體有流動阻力與無流動阻力兩種情況下，真空度隨時間的變化曲線[3]。

在本文中工況是進氣壓力為450kPa，真空口引射壓力為標準大氣壓，出口背壓為30kPa，工作流體和引射流體為空氣，溫度為25℃，Tp=TH=298K，通過計算得出噴管喉徑為10.03mm，出口直徑14.23mm，混合室直徑33.24mm，喉管嘴徑10.12mm，建立三維模型，通過Fluent仿真軟件仿真。由于考慮到引射流體速度相對于工作流體而言相差較大，基本上可以忽略，因此為了方便研究并且減少計算量，在單獨觀察真空度和抽氣速率的問題時將真空發生器簡化為二維對稱模型[4]，如圖1所示。

圖1 真空發生器對稱模型

1 進氣壓力對真空度的影響

為探討真空度特性與進氣壓力的關系，在保證其他條件不變的情況下，在進氣壓力0.15MPa～0.75MPa之間，每間隔0.1MPa進行一次模擬仿真。本次仿真真空發生器真空口采用壁面邊界，出口背壓為一個大氣壓。試驗和模擬曲線圖如圖2所示。

圖2 真空度隨進氣壓力變化曲線

由圖2知，在進氣壓力為0.15MPa～0.45MPa之間時，真空度隨著進氣壓力的增大而增大，且增長速率接近線性增長，在0.45MPa～0.55MPa之間真空度有輕微降低，在進氣壓力超過0.55MPa后，真空度下降較明顯。故觀察0.35MPa、0.45MPa、0.55MPa 3種工況下壓力(圖3)和速度(圖4)模擬云圖，尋找真空度下降的原因。

圖3 不同進氣壓力下真空管靜壓力分布

圖4 不同進氣壓力下真空管流體速度

從圖4可以看出，壓力的改變對混合室的收縮段流場影響較大，在進氣壓力為0.35MPa時，流體的馬赫數小于極限值，在混合室的收縮段氣體沒有完全膨脹，真空度亦沒有達到臨界值。在進氣壓力為0.45MPa時，混合室流體速度達到臨界值，氣體也充分膨脹，此時真空度達到該條件下的最大值。隨著進氣壓力繼續增大，噴管出口氣體流速也不再增加，因此拉法爾噴管上下游壓力比亦保持不變，所以當進氣壓力為0.55MPa時，出口壓力必然升高，從而對從噴管噴出的氣體產生阻礙作用[5]，真空度下降。

為進一步了解真空度變化原因，繪制不同進氣壓力下真空管處壓強隨時間變化關系，如圖5所示。

圖5 不同進氣壓力下真空管處壓強隨時間變化

設Pe為真空管絕對壓力值，Pe*為絕對壓力最小值，Pi為進氣壓力，Pi*為進氣壓力臨界值。由圖5可知，真空管處的絕對壓強在通入進氣壓力之后迅速降低，在降低至最小值Pe*后逐漸穩定或呈周期性變化，并且進氣壓力越大，對應的Pe*的值越小，達到Pe*所用的時間越長。在Pi≤0.35MPa時，Pe隨時間的推移逐漸趨于穩定。當Pi≥0.55MPa時，Pe隨時間變化呈現周期性變化，并且隨著進氣壓力的增大，震蕩周期越來越長，峰值越來越小[6]，即最大峰值亦遠小于大氣壓。因此即使在振蕩周期內，真空發生器引射管真空度依然存在。由此可知：臨界值0.45MPa≤Pi*≤0.55MPa，在PiPi*時，Pe呈周期性震蕩。

由此可知，激波的產生有一個閾值Pi*，當進氣壓力Pi在達到這個閾值之前,激波并未產生，當進氣壓力大于這個閾值之后，開始形成激波。由于激波面前后壓強不同,激波面后的高壓區域將會對激波面前的流體產生一定的阻礙作用,阻礙工作氣體及真空口氣體的流動,因此拉法爾噴管擴張段氣體壓強增大，在達到一定值后壓迫激波向出口方向移動，直至高壓區與真空口處低壓區域聯通，一部分工作流體進入到真空管，使真空管內壓強增大。進氣壓力越大，其壓迫激波向出口方向移動能力越強，高壓區與低壓區聯通區域越大[7]，從而使得更多的工作流體進入到真空管，真空管內壓力增大，真空度降低。

2 出口背壓對最大真空度的影響

為了分析觀察不同出口背壓下真空發生器內部流場變化情況，分別模擬氣壓0.55MPa，出口背壓為0kPa、25kPa、50kPa、75kPa、100kPa 5種工況，其余條件不變，得出如圖6所示的模擬云圖。

圖6 不同出口背壓下真空管處壓強隨時間變化

從圖6可以看出，隨著出口背壓的增大，真空發生器內部流場變化較為明顯。在出口背壓為0kPa的時候，工作流體經拉法爾噴管喉口加速至音速，并在噴管的擴張段充分膨脹至超音速，在混合室內產生膨脹波，并在通過膨脹波之后進一步加速，從而形成較大的卷吸作用，在真空管內產生較大的真空度，最大真空度達到80kPa。當出口背壓增加至50kPa時，此時混合室內壓力增大，從拉法爾噴管噴出的超音速流體膨脹不充分，噴管出口處的工作流體的速度明顯下降，卷吸作用降低，從而使得真空度降低，此時真空度為58kPa左右。隨著出口背壓的進一步增大，其影響范圍進一步向真空室擴散。當出口背壓為75kPa時，背壓的高壓范圍已經影響到真空室，從拉法爾噴管噴出的工作流體已經無法正常膨脹加速，真空度下降明顯，只有20kPa左右。當出口背壓達到100kPa的時候，此時一部分工作流體從真空口發生回流(圖7)，真空口內出現正壓，真空發生器失效。

圖7 出口背壓為100kPa時混合室入口處流體跡線圖

3 進氣壓力對抽氣速率的影響

抽氣速率反映真空發生器性能的另一個重要指標。根據等壓混合假設理論，在選取多組恒定真空度的情況下，通過改變進氣壓力Pi，觀察進氣壓力的改變對抽氣速率的影響。

圖8為多組恒定真空管壓力下真空發生器抽氣速率隨進氣壓力的變化關系。從圖中可以看出，在y軸的零線以下，表示該情況下抽氣速率為負值，即真空口發生了氣體回流，真空發生器失效。而在零線以上的部分表示真空發生器可以正常工作。各組恒定壓力下均存在一個進氣壓力的最優值Pi*，在這個最優值之前，抽氣速率隨著進氣壓力的增大迅速增大，在達到最優值Pi*后，抽氣速率逐漸不變，甚至有輕微下降。這是因為進氣壓力的持續增大，激波面后的能量不斷增大，其對引射流體的壅塞作用不斷增強，使得抽氣速率有了緩慢的下降趨勢[8]。

圖8 多組恒定真空度下抽氣速率隨進氣壓力的變化

圖9為進氣壓力為0.5MPa時抽氣速率與真空度變化關系。可以看出抽氣速率隨著真空度的增大而減小，所以在模擬求取最大真空度的時候，真空口邊界條件設置為封閉入口壁面條件，即真空口通氣量為0的時候即為真空發生器所能達到最大真空度[9]。

圖9 進氣壓0.5MPa時抽氣速率與真空度變化關系

4 出口背壓對抽氣速率的影響

取真空度為0.06MPa，出口背壓為0kPa、20kPa、40kPa、60kPa，得到真空口在不同出口背壓下抽氣速率與進氣壓力的變化曲線(圖10)。從圖中可以看出口背壓對抽氣速率影響較小，差值基本集中在低進氣壓力時出現，由于在低進氣壓力時較大的出口背壓影響會被放大，因此在進氣壓力持續增大的過程中，出口背壓的影響逐漸降低。

圖10 不同出口背壓下抽氣速率與進氣壓力變化曲線

5 結語

本文利用Fluent軟件對真空發生器整體進行內部流場分析，通過對外部因素：進氣壓力、出口背壓等的綜合探討，對真空發生器的真空度以及抽氣速率得出以下結論：

1)在一定范圍內，真空度隨著進氣壓力的增大而增大，但超過這一范圍后，通過噴管的超音速流體已經充分膨脹加速，因此繼續增大進氣壓力使得拉法爾噴管下游壓力增大，會對引射流體產生一定的阻礙作用，使得真空度略微降低。

2)出口背壓的改變對混合室內壓力影響較為明顯，背壓增大阻礙工作流體的膨脹加速過程，從拉法爾噴管流出的工作流體速度降低，從而使得真空度下降。繼續增大背壓將導致工作氣體在混合室入口處發生回流，從真空管處流出，使真空管出現正壓，真空發生器失效。

3)真空度隨著抽氣速率的降低而增加，在抽氣速率為0時，達到最大真空度。出口背壓對抽氣速率影響較小，差值基本集中在低進氣壓力時出現。