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2023年4月19日发(作者：bureaucracy)Vol.34No.2华东理工大学学报(自然科学版)
2008-04JournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)
301
文章编号:1006-3080(2008)02-0301-04
空气射流真空器性能的数值模拟
王玮, 安琦, 曹稼斌
(华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237)
摘要:以空气射流真空器为研究对象,采用FLUENT软件对其内部流场进行数值模拟,得出
空气射流真空器内部流场的速度和压强的分布云图。分析了一定工况下,面积比、吸入段锥角、喉
嘴距、喉管长度和扩散段锥角对空气射流真空器残余压强的影响,得到较优的结构参数,为空气射
流真空器的设计和研究提供一定的理论支持。
关键词:空气射流真空器;FLUENT;结构参数;残余压强;数值模拟
中图分类号:TK511.3文献标识码:A
NumericalSimulationonthePerformanceofAir-JetVacuumPump
WANGWei, ANQi, CAOJia-bin
(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,EastChinaUniversityofScienceand
Technology,Shanghai200237,China)
Abstract:Takingtheair-jetvacuumpumpastheresearchobjectandutilizingthesoftwareofFLU-
ENTtosimulatetheflowfieldsofair-jetvacuum,thedistributionsofvelocityandpressureareobtained.
Inacertainoperatingcondition,theinfluencesofthestructureparametersratioofareas,angleofmixing
section,distancebetweennozzleexitandinletofthroatsection,lengthofthroatsection,andangleof
diffusersectionontheremainingpressureinair-jetvacuumpumpareanalyzed.Theresearchofferedthe
optimumstructureparameters,whichisveryhelpfulforthedesignandresearchofair-jetvacuumpump.
Keywords:air-jetvacuumpump;FLUENT;structuralparameter;remainingpressure;numerical
simulation
射流器是一种利用湍射流的紊动扩散作用来传
递能量与质量的流体输送机械及混合反应设备,空
气射流真空器是射流器的一种,它是由喷嘴、喉管、空过程中是一个不确定的值。
扩散管、吸入室和混合室等部件组成。空气射本文在应用FLUENT软件对空气射流真空器
[1~2]
流真空器是以空气作为工作介质,来抽吸和压送气内部流场进行数值模拟分析的过程中,将被抽气体
体(被抽气体称为引射介质),以获取真空的射流
器。空气射流真空器的流场分布比较复杂,对
[3~5]
它的设计还没有成熟可行的计算公式,主要依靠设
计者的经验进行。有限元数值模拟软件FLUENT
为射流器的研究提供了一种十分有效的研究方法和
工具。目前国内外在进行射流器有限元研究中一般
收稿日期:2007-04-20
将空气射流真空器吸入口的边界条件设定为压力入
口,这与某些实际情况不相符,因为引射压力在抽真
进口设定为壁面,有效地研究了这一问题,在此基础
上,通过改变模型结构的几何参数,深入研究了不同
面积比S(喉管入口截面与喷嘴出口界面的面积
比)、吸入段锥角A、喉嘴距D(喷嘴出口截面与喉管
入口截面之间的距离)、喉管长度L、扩散段锥角B
对残余压强P的影响。
作者简介:王玮(1982-),男,安徽铜陵人,硕士生,研究方向:流体机械的设计与优化研究。E-mail:enternityww@126.com

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华东理工大学学报(自然科学版)第34卷
1 空气射流真空器的计算模型
1.1 模型的建立和网格的划分
空气射流真空器的结构示意图见图1,空气经
过压缩后进入到射流器,通过拉瓦尔喷嘴喷射出超
音速气流,在喷嘴口处由于射流边界层的紊动扩散
作用,与周围气流发生动量交换,由于气体的粘性,
高速气流卷吸周围的气体,引射气体在压力差的作
用下,不断向低压区流动,与工作气流发生混合,最
后形成均一的流体,经扩散管排出,从而达到抽真空
的目的。为分析空气射流真空器的性能,对其实际
尺寸建立模型并划分网格(图2和图3)。图2是空
气射流真空器的三维模型,图3是空气射流真空器
的简化二维模型。通过文献[6]的数值计算结果表
明,简化的二维模型和三维模型并无明显差异,相对
误差在3%以内,这样可以很大程度减少计算时间
和内存的使用量。
连续性方程、动量方程、能量方程、J方程和E方程,
其通用形式为:
[7]
5
(Q5)+div(Qu5)=div(#grad5)+S(1)
5t
式中,5为通用变量,可以代表u、v、w、T、J、E等求
解变量;#为广义扩散系数;S为广义源项。对于特
定的方程,5、#和S各有特定的形式。
1.3 湍流模型和边界条件
采用有限体积法对控制方程进行空间离散,湍
流模型采用标准J-E两方程模型,工作流体和引射
流体均为大气,其密度按理想气体进行计算,粘度采
用Sutherland定律,工况温度为室温300K,进口边
界条件为压力进口6.0@10Pa,混合流体出口采用
5
压力出口2.5@10Pa;壁面条件采用无滑移、无渗
流、绝热边界。
5
2 空气射流真空器的FLUENT求解
分析
在FLUENT中设置好边界条件、工作条件后
即可进入求蛩怎么读解,经过FLUENT的多次迭代求解可
得到结果。图4、图5分别为空气射流真空器内部
的流体速度分布云图和压强分布云图,其中图4中
坐标单位为m/s,图5中坐标单位为10Pa。从图
5
4、图5中可以看出空气射流真空器内部流场变化情
况,其中喷嘴出口处流体速度达到超音速,吸入室内
的空气运动速度接近于0,其压强也很低,实现抽真
空的目的。所示模拟的例子中吸入室内部的残余压
强在0.3@10Pa,喉嘴出口速度超过600m/s。这
与文献[8]中的结果具有一致性,从而表明本文所进
行的数值模拟方法具有良好的可行性。
5
图1 空气射流真空器结构示意图
Fig.1 Schematicdiagramofair-jetvacuumpump
图2 空气射流真空器三维赞美秋天的诗句最好的网格图
Fig.2 3Dgridmodelforair-jetvacuumpump
图3 空气射流真空器二维网格图
Fig.3 2Dgridmodelforair-jetvacuumpump
1.2 控制方程
根据喷射器流场的内部特点,假设:(1)稳定的
轴对称流动;(2)忽略流体浮力的影响;(3)喷嘴出口
截面上工作流体和引射流体互不混合,但紧密流
动。
湍流模型采用标准J-E模型,其控制方程包括
[4]
图杜甫古诗 4 空气射流真空器内部流体速度分布云图
Fig.4 Distributionofvelocityinair-jetvacuumpump

第2期王玮,等:空气射流真空器性能的数值模拟
303
mm时,喉嘴距对残余压强的影响不大,之后,残余
压强急剧增大。因此喉嘴距最优设计取值为350.0
mm时,残余压强较小。
喉管主要起到两股流体进一步混合的作用,图
9为喉管长度与残余压强变化关系图,可以明显看
出相对其他结构参数而言,喉管长度对残余压强影
响不大。在数值模拟中添加了喉管长度为0,即没
有喉管的情况下,也可以达到抽真空的效果,但抽真
空的效果明显下降。从图中可看出最优的喉管长度
为200.0mm。
图5 空气射流真空器内部流体压强分布云图
Fig.5 Distributionofpressureinair-jetvacuumpump
3 结构参数对性能影响的分析
对于空气射流真空器来说,影响其性能的因素
比较多,包括喷嘴、喉嘴间距、喉嘴长度、扩散管锥
角、喷嘴与喉管面积比等,各个参数对喷射器性能都
有不同程度的影响。本文只考虑面积比、吸入段锥
角、喉嘴距、喉管长度和扩散段锥角这5个参数对空
气射流真空器抽真空性能的影响情况,从而分析得
到一组相对较优的结构参数。空气射流真空器的基
本模型结构参数为面积比2.2,吸入段锥角2.6b,喉
嘴距280.0mm,喉管长度260.0mm,扩散段锥角
2.9b;工艺条件是进口压强6.0@10Pa,职的组词出口压强
2.5@10Pa。分别通过变化基本得道多助失道寡助原文模型的结构参数,
5
研究这5个结构参数对残余压强的影响。
图6为面积比与残余压强的变化关系,从图中
可以看出随着面积比的增大,残余压强先减小后增
大。当面积比小于2.2时,残余压强减小的速度较
快,面积比大于2.5时,残余压强迅速增大。因此存
在着一个最佳的面积比值,在该面积比下得到的残
余压强相对较小,图中可以看出较优面积比取值为
2.3。
吸入段锥角与残余压强变化的关系曲线见图
7,可见随着吸入段锥角的增大,残余压强先基本保
持不变,然后迅速增大。在吸入段锥角小于3.3b
时,吸入段锥角对残余压强影响不大。当极限情况
吸入段锥角为0b,即吸入段为与喉管等直径的时
候,也可达到一定抽真空效果。所以吸入段锥角的
最优取值为3.2b,当吸入段锥角超过3.3b时,抽真
空的性能将急剧恶化。
图8为喷嘴出口到喉管进口间距离与残余压强
变化的关系,由图可见,随着喉嘴距的增大,残余压
强变化较小,然后再迅速增大。喉嘴距小于350.0
图8 喉嘴距对残余压强的影响
Fig.8 Variationofremainingpressurewithdistance
betweennozzleexitandinletofthroatsection
图7 吸入段锥角对残余压强的影响
Fig.7 Variationofremainingpressurewithangle
ofmixingsection
5
图6 面积比对残余压强的影响
Fig.6 Variationofremainingpressurewithratioofareas
如图10所示,可以得出扩散段锥角与残余压强
的变化关系。随着扩散段锥角的增大,残余压强先

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华东理工大学学报(自然科学版)第34卷
4 结论
(1)采用FLUENT软件,将被抽气体进口边界
条件设定为壁面,有效地改进了对空气射流真空器
抽真空的有限元模拟效果,同时,数值模拟研究了空
气射流真空器面积比、混合段锥角、喉嘴距、喉管长
度、扩散段锥角对残余压强的影响,得出了结构参数
图9 喉管长度对残余压强的影响
Fig.9 Variationofremainingpressurewith
lengthofthroatsection
面积比、吸入段锥角、喉嘴距、喉管长度、扩散段锥角
变化对残牛郎织女的神话故事简短余压强影响的曲线;
(2)数值模拟研究表明,当进口压强6.0@10
Pa,出口压强2.5@10Pa时,从抽真空性能方面考
5
虑,面积比S=2.3、吸入段锥角A=3.2b、喉嘴距
D=350.0mm、喉管长度L=200.0mm、扩散段锥
角B=3.5b的结构参数下,空气射流真空器实现较好
的抽真空效果。
参考文献:
5
图10 扩散段锥角对残余压强的影响
Fig.10 Variationofremainingpressurewithangle
ofdiffusersection
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版社,1100个灵异故事 999.
快速减小,然后保持平稳。扩散段锥角在1中秋节的由来和寓意 .5b之
前,残余压强线几乎垂直下降,锥角在1.5~3.0b之
间,残余压强降低速度较为平缓,之后残余压强将不
随扩散角的变化而变化。因此可得出扩散段锥角在
大于3.0b时,抽气得到的残余压强较低。在设计中
最优的取值为3.5b时,可得到较优的抽真空效果。
通过上述5个结构参数对空气射流真空器抽真
空性能的影响分析,优化得到一组结构参数:面积比
S=2.3、吸入段锥角A=3.2b、喉嘴距
D=350.0mm、喉管长度L=200.0mm、扩散段锥
角B=3.5b,在该结构参数下数值模拟残余压强为
0.190@10Pa,与原结构模型抽真空的残余压强
0.212@10Pa相比,抽真空的效果得到了提高。
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