針對氣動系統(tǒng)中常用的真空發(fā)生器樣機(jī)，采用有限體積法對真空發(fā)生器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了背壓不同時內(nèi)部壓力分布和吸入流速改變情況。以此為基礎(chǔ)，測量系統(tǒng)背壓升高時吸入流量變化量，繪制了背壓與吸入流量關(guān)系曲線，提出了通過判斷系統(tǒng)背壓而防止逆流現(xiàn)象的方法。在真空發(fā)生器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，需要在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)得出系統(tǒng)正常工作的背壓范圍，防止逆流現(xiàn)象，保證系統(tǒng)工作。

　　真空發(fā)生設(shè)備已成為農(nóng)業(yè)自動化領(lǐng)域中重要的真空壓力源，由其構(gòu)建的真空發(fā)生系統(tǒng)被應(yīng)用于水果采摘、食品加工等多個領(lǐng)域。在真空發(fā)生器系統(tǒng)中，排氣側(cè)易形成一定的背壓, 依據(jù)管路氣體流動原理，排氣管路幾何尺寸不合理會造成較大的阻抗作用；而消音器等降低音的元件，其內(nèi)部填充的多孔介質(zhì)也可能造成系統(tǒng)壓力的升高。在生產(chǎn)實(shí)踐中，隨著背壓升高，抽吸流量逐漸減小，直至發(fā)生逆向流動。徐海濤等分析了蒸汽噴射真空泵中混合流體壓力對噴射系數(shù)的影響，探討了激波產(chǎn)生的位置和流體的流動狀況，楊燕勤等分析大氣噴射器出口壓力與引射流量的關(guān)系，預(yù)測了背壓的輕微變化會引起噴射器性能的急劇下降。

　　結(jié)合氣動系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。筆者曾使用一維集中參數(shù)模型計(jì)算了吸入流量改變時真空發(fā)生器出口截面處的壓力變化，但因?yàn)闊o法給出氣體速度分布、壓力分布、能量損失等信息，且不能對超音速射流波系等真實(shí)氣體效應(yīng)進(jìn)行分析，難以揭示內(nèi)在機(jī)理，存在較大局限性。為了分析出口截面處壓力與吸入流量的關(guān)系，本文先從理論角度，采用有限體積法對真空發(fā)生器流場進(jìn)行數(shù)值模擬，再從試驗(yàn)角度，測試背壓升高時的吸入流量。

1、理論分析

　　1.1、氣動真空發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1 氣動真空發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　為了使分析結(jié)果具有一定的普遍性，選取2 組共4 種結(jié)構(gòu)尺寸的真空發(fā)生器樣機(jī)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀如圖1 所示。其中，s、n 、t 分別對應(yīng)LAVAL 噴管入口、喉部以及出口截面，m、c、e 分別為混流管入口、等面積段和出口截面。空氣從v-v 處吸入,從w-w處排出。用l v表示拉瓦爾噴管與混流管的距離。這2 組真空發(fā)生器的喉部直徑分別為0.7mm 和1.5mm。在同一組真空發(fā)生器中，混流管的內(nèi)徑亦存在差異，具體尺寸如表1 所示。根據(jù)其尺寸的不同，對4 種真空發(fā)生器樣機(jī)進(jìn)行了編號，分別為A、B、C、D。

表1 真空發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

　　1.2、計(jì)算方法和網(wǎng)格劃分

　　采用有限體積法離散控制方程建立真空發(fā)生器內(nèi)部流動模型，網(wǎng)格劃分如圖2 所示。由于吸入流速遠(yuǎn)小于供給流速，簡化吸入流側(cè)向入口為環(huán)向入口，對稱軸為圖1 所示x 軸方向。供氣口和排氣口均采用壓力邊界條件，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)假定壁面絕熱。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格圖

　　1.3、背壓改變時流動情況

　　供給流入口壓力設(shè)為0.6MPa(本文均指絕對壓力)，溫度293K；吸入流入口壓力101.3kPa , 溫度293K；混合流出口壓力由大氣壓開始逐點(diǎn)增加，并根據(jù)回流情況調(diào)整回流條件。為了考察混合流出口壓力對吸入流速的影響，可以選取吸入流入口截面并觀察吸入流速。針對A～D 共4 種類型真空發(fā)生器計(jì)算結(jié)果的共同規(guī)律，以D 型真空發(fā)生器為例進(jìn)行分析。圖3 反映了吸入流束入口截面各節(jié)點(diǎn)處沿y 向的速度。位于內(nèi)壁面處的節(jié)點(diǎn)速度為0，其余節(jié)點(diǎn)速度如圖3 所示。

圖3 真空吸入口截面速度分布

　　根據(jù)氣動系統(tǒng)的特點(diǎn)，混合流束出口壓力由101.3kPa 遞增，數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔50kPa。圖4 繪制了混合流出口壓力由101.3kPa 增至300kPa 時，混流管內(nèi)壓力沿x 向分布情況。當(dāng)混合流束出口壓力為大氣壓101.3kPa 時，混合流膨脹充分，壓力變化平緩。當(dāng)混合流束出口壓力為101.3kPa ～146.3kPa時，吸入流束入口截面平均速度保持不變，如圖5 所示。這是由于此時激波的影響范圍僅在混流管出口截面附近，對吸入流束尚不產(chǎn)生影響作用，吸入流量保持不變�；旌狭魇�出口壓力大于150kPa，混合流束在混合流管出口位置出現(xiàn)激波。隨著混合流束出口壓力增大，激波影響區(qū)域擴(kuò)大，并逐漸向混流管入口方向移動。

圖4 不同背壓下軸向壓力分布

圖5 一定背壓范圍內(nèi)真空發(fā)生器吸入口截面平均速度

　　進(jìn)一步提高混合流出口壓力，激波影響范圍擴(kuò)大，混流管內(nèi)壓力明顯升高，吸入流束的運(yùn)動速度受到較大的影響。當(dāng)混合流束出口壓力為150～300kPa, 混流管內(nèi)激波出現(xiàn)的位置位于入口截面m-m 與出口截面e-e 之間。隨著激波出現(xiàn)位置從截面e-e 向截面m-m 移動，吸入流受影響程度逐步增強(qiáng)，吸入流速逐漸降低。圖6 給出混合流出口壓力分別為101.3kPa 和300kPa 時，吸入流速度矢量圖。圖中可見，混合流出口壓力為101.3kPa 時，速度方向由吸入截面到混流管；混合流出口壓力增至300kPa，由于混流管內(nèi)流場改變，混流管入口截面附近出現(xiàn)強(qiáng)激波，壓力急劇升高，速度方向改變，空氣不再進(jìn)入混流管。

圖 6 真空發(fā)生器空氣流動方向示意

(a) ps=0.6MPa，pe=101.3kPa正常抽吸速度矢量 (b) ps=0.6MPa，pe=300kPa逆流速度矢量

2、試驗(yàn)

　　2.1、試驗(yàn)回路

　　理論分析揭示出氣動真空發(fā)生器系統(tǒng)背壓與抽吸性能關(guān)系呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：背壓升高時，流量特性在較大的背壓范圍內(nèi)保持不變，該范圍內(nèi)最大背壓*pe 稱作臨界背壓；背壓繼續(xù)升高，抽吸性能急劇惡化，當(dāng)背壓大于一定值時，吸入流束消失，發(fā)生逆向流動，記為peo 稱作逆流背壓。在實(shí)際氣動系統(tǒng)中，元件的工作壓力和氣體流動情況受回路節(jié)流條件以及氣體狀態(tài)參數(shù)的影響，為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果并為應(yīng)用提供參考，需要基于氣動真空發(fā)生器回路進(jìn)行測量和分析。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7 所示,待測真空發(fā)生器的進(jìn)氣口連接壓縮氣源，排氣口連接節(jié)流回路，真空口連接

　　流量計(jì)，環(huán)境溫度291K，濕度38%。流量測量采用QFS-100 型快速層流式流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)低阻抗雙方向的快速測量。供氣壓力0.6MPa。通過調(diào)節(jié)排氣側(cè)節(jié)流閥的流通面積，可設(shè)定不同的背壓。由于選定的流量傳感器可以測定正、逆2 個方向的流量，隨著背壓的升高，圖7 中流量計(jì)可知實(shí)時吸入流量的大小和方向，繪制出背壓與吸入流量關(guān)系曲線。

圖7 真空發(fā)生器系統(tǒng)背壓與抽吸性能關(guān)系測試平臺

1-氣源；2-調(diào)壓閥；3-供給側(cè)壓力傳感器；4-真空發(fā)生器；5-排氣側(cè)壓力傳感器；6-節(jié)流閥；7-消音器；8-快速層流式流量計(jì)

　　2.2、試驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，圖8 表示真空發(fā)生器背壓與吸入流量的關(guān)系。對試驗(yàn)4 種型號真空發(fā)生器樣機(jī)，背壓與吸入流量關(guān)系試驗(yàn)曲線具有共同的特征：背壓小于臨界值 *pe 時，吸入流量為一穩(wěn)定值；背壓大于*pe 時，隨著背壓的升高，吸入流量逐漸減小。吸入流量為0時的背壓稱為逆流背壓peo。試驗(yàn)真空發(fā)生器的逆流背壓分別介于150kPa~190kPa 之間。由此可見，臨界背壓*pe 和逆流背壓peo是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要參數(shù)，根據(jù)真空發(fā)生器內(nèi)部流動狀態(tài)及吸入流量大小而界定。要使真空發(fā)生器產(chǎn)生抽吸作用，系統(tǒng)背壓必須小于逆流背壓peo。要得到最佳抽吸效果，系統(tǒng)背壓必須小于臨界背壓*pe。

圖8 真空發(fā)生器系統(tǒng)排氣側(cè)壓力不同時抽吸性能測試結(jié)果

　　2.3、比較和討論

　　圖9 為D 型真空發(fā)生器有限體積法計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較。其中，吸入流量依據(jù)吸引流入口截面的平均速度計(jì)算，氣體密度近似取為理想氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度，入口截面為圓形截面，幾何尺寸取表1 所示的測量值。由于背壓的存在，排氣流膨脹不充分，遇到排氣回路節(jié)流元件速度增加。假設(shè)氣體排出真空發(fā)生器后流動等熵，壓力表處靜壓由當(dāng)?shù)厮俣群兔芏扔?jì)算得出。由于實(shí)際氣動系統(tǒng)中排氣側(cè)背壓大于大氣壓，所以試驗(yàn)背壓從110kPa 遞增。比較計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)吸入流量小于計(jì)算值，說明試驗(yàn)中摩擦損失大于理論計(jì)算中的取值。受真空發(fā)生器內(nèi)部流道表面機(jī)械加工精度、流量計(jì)流阻等因素影響，以及實(shí)際系統(tǒng)中管道形狀、節(jié)流元件構(gòu)造以及環(huán)境參數(shù)等諸多因素制約，試驗(yàn)中臨界背壓*pe 和逆流背壓Peo均小于計(jì)算結(jié)果，偏差量為10%左右。因此，在設(shè)計(jì)氣動真空發(fā)生器系統(tǒng)時，需要在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，通過判斷真空發(fā)生器系統(tǒng)背壓而防止逆流現(xiàn)象。

圖9 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的比較

3、結(jié)論

　　(1) 臨界背壓*pe 和逆流背壓peo是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要參數(shù)，根據(jù)真空發(fā)生器內(nèi)部流動狀態(tài)及吸入流量大小而界定。

　　(2) 要使真空發(fā)生器產(chǎn)生抽吸作用，系統(tǒng)背壓必須小于逆流背壓peo。要得到最佳抽吸效果，系統(tǒng)背壓必須小于臨界背壓*pe。因此，判定某型真空發(fā)生器在一定供給壓力條件下*pe 和peo對系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

　　(3) 設(shè)計(jì)真空發(fā)生器系統(tǒng)時，先通過理論模型預(yù)估臨界背壓和逆流背壓，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，能有效防止逆流現(xiàn)象發(fā)生。