針對中心噴射式射流真空泵傳能效率較低，吸氣殘壓過大的問題，結(jié)合環(huán)形射流和自激振蕩射流的優(yōu)點(diǎn)，提出環(huán)形水氣自激振蕩脈沖射流的概念，提高射流對被引射氣體的卷吸能力。以環(huán)形射流理論為基礎(chǔ)，建立了質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。采用Realizablek-ε紊流模型，歐拉多相流模型對環(huán)形水氣自激振蕩脈沖射流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。以提高卷吸效果為優(yōu)化目標(biāo)，對影響卷吸效果結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，完成相關(guān)參數(shù)正交仿真驗(yàn)證，并獲得一組較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。使用較優(yōu)參數(shù)組合建立環(huán)形水氣自激振蕩射流的模型，并對下噴嘴處的流體平均速度進(jìn)行了非定常模擬計(jì)算。結(jié)果表明，與普通環(huán)形水氣射流相比，環(huán)形自激振蕩射流對氣體的卷吸作用能力，且環(huán)形水氣自激振蕩射流的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸氣量有顯著的影響。這為環(huán)形水氣自激振蕩射流真空泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

　　水氣射流真空泵可用于抽吸氣體，營造低真空環(huán)境。由于不使用回轉(zhuǎn)機(jī)械部件，不受氣蝕效應(yīng)的影響，因此具有獨(dú)特的優(yōu)勢。目前在水氣射流真空泵技術(shù)中需要解決的核心問題，是提高對引射氣體的抽吸能力，以及水氣兩相之間的能量轉(zhuǎn)換效率。這就需要深入地研究射流真空泵內(nèi)部各種流動(dòng)參數(shù)(壓力、速度、溫度等)的變化規(guī)律;Winoto等通過理論分析和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圓形噴嘴在其噴嘴面積與喉管面積之比為0.3時(shí)，射流泵具有最高的效率;周建來研究了雙側(cè)吸氣式射流的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與動(dòng)力效率的關(guān)系，并完成了相關(guān)正交實(shí)驗(yàn);GuofengYuan等在不同喉嘴距和面積比的條件下，對水氣射流泵性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，判斷出最佳喉嘴距和最佳面積比。VanierschotM發(fā)現(xiàn)環(huán)形紊流流場具有不均勻性，且靠近下游滯點(diǎn)的位置存在一個(gè)中心環(huán)狀渦流(Centraltoroidalvortex，CTV)，使得速度脈動(dòng)程度加劇。這個(gè)特性使得環(huán)形射流更傾向于非恒定方式，是環(huán)形射流能提高水氣傳能效率的主要原因之一。

　　采用脈沖射流等非恒定射流方式，比恒定射流的傳能及傳質(zhì)效率有較大的提高。陸宏圻、高傳昌等對脈沖液體射流泵的基本性能、參數(shù)優(yōu)化、能量損失分析等各個(gè)方面均進(jìn)行了積極的探索，認(rèn)為脈沖射流可以使流體在喉管出口處得到更充分的混合，可以周期性地提高噴嘴射流壓力與吸入管路和吸入室的真空度，能量轉(zhuǎn)換效率明顯高于恒定流射流泵。但其共同點(diǎn)均為采用外激振源，使用強(qiáng)迫激振的方式產(chǎn)生脈沖射流。

　　本文將自激振蕩射流引入射流真空泵，利用其自激振的特性提高抽吸氣體能力和傳能效率，極大的簡化非恒定射流的發(fā)生及控制過程。

1、環(huán)形水氣自激振蕩射流基本原理

　　自激振蕩脈沖射流是一種利用流體動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)、流體共振和液體彈性原理發(fā)展起來的一種新型高效脈沖射流。它不需要激振源，無運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，依靠噴嘴自身的結(jié)構(gòu)特性(自激振蕩腔室和特殊的邊界條件)，使通過噴嘴的射流轉(zhuǎn)變?yōu)樽约ふ袷幟}沖射流。

　　在自激振蕩脈沖射流的理論基礎(chǔ)上，提出了環(huán)形水氣自激振蕩射流的概念：工作流體從環(huán)形縫隙噴嘴噴出后，卷吸環(huán)中的氣體形成環(huán)狀水氣兩相射流，經(jīng)振蕩腔室的上噴嘴噴入自激振蕩腔室。這是一種高雷諾數(shù)的強(qiáng)剪切湍流射流，且由于環(huán)狀高速射流與液環(huán)內(nèi)外的氣體的卷吸、夾帶效應(yīng)，在環(huán)面上形成了極不穩(wěn)定的剪切層。剪切層周圍的流體受卷吸、夾帶的作用形成軸對稱渦漩，在流動(dòng)中各處作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)發(fā)生微團(tuán)間激烈的動(dòng)量交換、能量交換和質(zhì)量交換。

　　通過不穩(wěn)定剪切層的選擇放大作用，同時(shí)依靠自激振蕩脈沖腔室固有的邊壁條件，使得水氣兩相流環(huán)形剪切邊界層中的壓力擾動(dòng)波完成反饋-選擇性放大-諧振的過程，如圖1所示。自激振蕩腔室，作用上類似于一個(gè)諧波復(fù)合放大器和激勵(lì)器。

圖1 環(huán)形水氣自激振蕩脈沖射流發(fā)生過程

　　3.2、環(huán)形水氣自激振蕩射穩(wěn)態(tài)速度場

　　按照前一節(jié)中數(shù)值模擬結(jié)果，得到的較優(yōu)參數(shù)組合：取d/d1=0.875、α=15°、d2/d1=1.5、LC/DC=0.45，建立能夠獲得較好的卷吸效果環(huán)空水氣自激振蕩脈沖射流的發(fā)生裝置模型，并使用Fluent工具進(jìn)行速度場分析，如圖7所示。

圖7 環(huán)形水氣自激振蕩脈沖射流穩(wěn)態(tài)速度場

　　高速水射流從環(huán)形噴嘴中噴出后，水氣相界面處形成環(huán)狀混合核心流。由于水氣兩相存在速度差，因此混合核心流中的液相以液滴形式存在，并由液滴完成與氣相的動(dòng)量交換;與中心射流形式相比，在相同的流量情況下，環(huán)形射流的混合核心流中液相與氣相的接觸面積有顯著增加，能夠有效提高傳能效率。

　　自激振蕩腔體下噴嘴處的錐形碰撞壁，分流一部分混合流返回至上噴嘴處，形成流量及能量的反饋，在振蕩腔室內(nèi)形成自激振蕩渦旋。在自激振蕩效應(yīng)加劇了水氣兩相的傳質(zhì)與傳能的過程。另一方面，采用自激振蕩腔室代替?zhèn)鹘y(tǒng)射流泵的喉管，不會(huì)出現(xiàn)水氣混合射流的壓力突然增加的現(xiàn)象，避免產(chǎn)生類似于傳統(tǒng)射流泵喉管內(nèi)部的混合沖波段，對提高效率有利。

　　3.3、環(huán)形水氣自激振蕩效果

　　對上節(jié)使用的環(huán)形水氣自激振蕩射流發(fā)生模型進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。設(shè)定進(jìn)口處水射流入射速度10.54m/s，則環(huán)形水氣自激振蕩射流狀態(tài)下，大約8ms左右環(huán)形主射流到達(dá)下噴嘴位置;對比的環(huán)形水氣射流則需要20ms左右到達(dá)擴(kuò)散管入口。在不穩(wěn)定振蕩的初始狀態(tài)結(jié)束后(約0.2s)，分別記錄時(shí)域數(shù)據(jù)：自激振蕩狀態(tài)下下噴嘴處水相、氣相平均速度;普通環(huán)形射流的擴(kuò)散管入口處的水相、氣相平均速度(作為對比)。

　　如圖8所示，當(dāng)主環(huán)形射流到達(dá)自激振蕩腔體下噴嘴時(shí)，水相平均速度便開始出現(xiàn)明顯的振蕩特性;如圖9所示，在環(huán)形射流進(jìn)入自激振蕩射流泵體0.6s左右，通過下噴嘴的氣相平均速度便出現(xiàn)脈動(dòng)特征。而對應(yīng)的普通環(huán)形水氣射流的擴(kuò)散管入口處，水相、氣相速度都沒有很明顯的波動(dòng)。這是由于環(huán)形射流進(jìn)入自激振蕩腔室后，環(huán)狀的水氣混合剪切層范圍不斷擴(kuò)大，混合相界面趨于模糊，氣體在工作液體卷吸作用下不斷加速，并參與碰撞-反饋-諧振的自激振蕩過程，從而在下噴嘴處被調(diào)制成脈沖水氣射流。

圖8 下噴嘴處水相平均速度振蕩趨勢

　　從圖8和圖9中還可以看出，作為對比的普通環(huán)形水氣射流，擴(kuò)散管入口處的水相速度、氣相平均速度均遠(yuǎn)小于環(huán)形水氣自激振蕩射流下噴嘴處的相應(yīng)速度，而且沒有脈動(dòng)的特性。由于自激振蕩腔體內(nèi)的環(huán)形水氣混合射流在無約束狀態(tài)下充分發(fā)展，較之作為對比的環(huán)形水氣射流在長喉管中受到管壁約束和摩阻的影響，能量損失較小，通過的流體平均速度較大。由此說明，環(huán)形水氣自激振蕩射流抽吸氣體的能力更為優(yōu)越。

圖9 下噴嘴處氣相平均速度振蕩趨勢

結(jié)論

　　本文對環(huán)空水氣自激振蕩脈沖射流對氣體卷吸機(jī)理進(jìn)行了解釋，通過數(shù)值模擬的方式得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸氣能力的影響關(guān)系，并完成了自激振蕩腔室內(nèi)部的流場分析。歸納如下：

　　(1)環(huán)形射流的擴(kuò)展受到壁面的制約，形成了單側(cè)擴(kuò)展的射流。與中心噴射式射流相比，在相同流量的情況下，所形成的水汽混合流與氣相的接觸面積大，對氣體的卷吸效果更好。

　　(2)環(huán)形水氣自激振蕩射流發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對吸氣量的影響較大。按影響重要程度排序，分別是：下噴嘴與上噴嘴直徑比d2/d1、進(jìn)氣口與上噴嘴直徑比d/d1、自激振蕩腔室長徑比LC/DC、環(huán)形射流入射傾角α。通過數(shù)值模擬正交實(shí)驗(yàn)，獲得了一組較優(yōu)的參數(shù)組合。

　　(3)非定常計(jì)算的結(jié)果可以表明，在環(huán)形自激振蕩脈沖射流的下噴嘴處，流體平均速度有明顯的脈沖振蕩，且相對于普通環(huán)形水氣射流而言，氣體的平均速度大大提高。這表明環(huán)形水氣自激振蕩射流對引射氣體的卷吸作用有所增強(qiáng)，水氣能量轉(zhuǎn)換效率得到了提高。