环形水气自激振荡射流卷吸特性模拟及优化

　　针对中心喷射式射流真空泵传能效率较低，吸气残压过大的问题，结合环形射流和自激振荡射流的优点，提出环形水气自激振荡脉冲射流的概念，提高射流对被引射气体的卷吸能力。以环形射流理论为基础，建立了质量和动量守恒方程。采用Realizablek-ε紊流模型，欧拉多相流模型对环形水气自激振荡脉冲射流流场进行了数值模拟。以提高卷吸效果为优化目标，对影响卷吸效果结构参数进行了数值计算和分析，完成相关参数正交仿真验证，并获得一组较优的结构参数组合。使用较优参数组合建立环形水气自激振荡射流的模型，并对下喷嘴处的流体平均速度进行了非定常模拟计算。结果表明，与普通环形水气射流相比，环形自激振荡射流对气体的卷吸作用能力，且环形水气自激振荡射流的结构参数对吸气量有显著的影响。这为环形水气自激振荡射流真空泵结构设计提供了理论基础。

　　水气射流真空泵可用于抽吸气体，营造低真空环境。由于不使用回转机械部件，不受气蚀效应的影响，因此具有独特的优势。目前在水气射流真空泵技术中需要解决的核心问题，是提高对引射气体的抽吸能力，以及水气两相之间的能量转换效率。这就需要深入地研究射流真空泵内部各种流动参数(压力、速度、温度等)的变化规律;Winoto等通过理论分析和实验，发现圆形喷嘴在其喷嘴面积与喉管面积之比为0.3时，射流泵具有最高的效率;周建来研究了双侧吸气式射流的主要结构参数与动力效率的关系，并完成了相关正交实验;GuofengYuan等在不同喉嘴距和面积比的条件下，对水气射流泵性能进行了数值模拟分析，判断出最佳喉嘴距和最佳面积比。VanierschotM发现环形紊流流场具有不均匀性，且靠近下游滞点的位置存在一个中心环状涡流(Centraltoroidalvortex，CTV)，使得速度脉动程度加剧。这个特性使得环形射流更倾向于非恒定方式，是环形射流能提高水气传能效率的主要原因之一。

　　采用脉冲射流等非恒定射流方式，比恒定射流的传能及传质效率有较大的提高。陆宏圻、高传昌等对脉冲液体射流泵的基本性能、参数优化、能量损失分析等各个方面均进行了积极的探索，认为脉冲射流可以使流体在喉管出口处得到更充分的混合，可以周期性地提高喷嘴射流压力与吸入管路和吸入室的真空度，能量转换效率明显高于恒定流射流泵。但其共同点均为采用外激振源，使用强迫激振的方式产生脉冲射流。

　　本文将自激振荡射流引入射流真空泵，利用其自激振的特性提高抽吸气体能力和传能效率，极大的简化非恒定射流的发生及控制过程。

1、环形水气自激振荡射流基本原理

　　自激振荡脉冲射流是一种利用流体动力学、水力学、流体共振和液体弹性原理发展起来的一种新型高效脉冲射流。它不需要激振源，无运动构件，依靠喷嘴自身的结构特性(自激振荡腔室和特殊的边界条件)，使通过喷嘴的射流转变为自激振荡脉冲射流。

　　在自激振荡脉冲射流的理论基础上，提出了环形水气自激振荡射流的概念：工作流体从环形缝隙喷嘴喷出后，卷吸环中的气体形成环状水气两相射流，经振荡腔室的上喷嘴喷入自激振荡腔室。这是一种高雷诺数的强剪切湍流射流，且由于环状高速射流与液环内外的气体的卷吸、夹带效应，在环面上形成了极不稳定的剪切层。剪切层周围的流体受卷吸、夹带的作用形成轴对称涡漩，在流动中各处作不规则的运动，并同时发生微团间激烈的动量交换、能量交换和质量交换。

　　通过不稳定剪切层的选择放大作用，同时依靠自激振荡脉冲腔室固有的边壁条件，使得水气两相流环形剪切边界层中的压力扰动波完成反馈-选择性放大-谐振的过程，如图1所示。自激振荡腔室，作用上类似于一个谐波复合放大器和激励器。

图1 环形水气自激振荡脉冲射流发生过程

　　3.2、环形水气自激振荡射稳态速度场

　　按照前一节中数值模拟结果，得到的较优参数组合：取d/d1=0.875、α=15°、d2/d1=1.5、LC/DC=0.45，建立能够获得较好的卷吸效果环空水气自激振荡脉冲射流的发生装置模型，并使用Fluent工具进行速度场分析，如图7所示。

图7 环形水气自激振荡脉冲射流稳态速度场

　　高速水射流从环形喷嘴中喷出后，水气相界面处形成环状混合核心流。由于水气两相存在速度差，因此混合核心流中的液相以液滴形式存在，并由液滴完成与气相的动量交换;与中心射流形式相比，在相同的流量情况下，环形射流的混合核心流中液相与气相的接触面积有显著增加，能够有效提高传能效率。

　　自激振荡腔体下喷嘴处的锥形碰撞壁，分流一部分混合流返回至上喷嘴处，形成流量及能量的反馈，在振荡腔室内形成自激振荡涡旋。在自激振荡效应加剧了水气两相的传质与传能的过程。另一方面，采用自激振荡腔室代替传统射流泵的喉管，不会出现水气混合射流的压力突然增加的现象，避免产生类似于传统射流泵喉管内部的混合冲波段，对提高效率有利。

　　3.3、环形水气自激振荡效果

　　对上节使用的环形水气自激振荡射流发生模型进行非定常数值模拟。设定进口处水射流入射速度10.54m/s，则环形水气自激振荡射流状态下，大约8ms左右环形主射流到达下喷嘴位置;对比的环形水气射流则需要20ms左右到达扩散管入口。在不稳定振荡的初始状态结束后(约0.2s)，分别记录时域数据：自激振荡状态下下喷嘴处水相、气相平均速度;普通环形射流的扩散管入口处的水相、气相平均速度(作为对比)。

　　如图8所示，当主环形射流到达自激振荡腔体下喷嘴时，水相平均速度便开始出现明显的振荡特性;如图9所示，在环形射流进入自激振荡射流泵体0.6s左右，通过下喷嘴的气相平均速度便出现脉动特征。而对应的普通环形水气射流的扩散管入口处，水相、气相速度都没有很明显的波动。这是由于环形射流进入自激振荡腔室后，环状的水气混合剪切层范围不断扩大，混合相界面趋于模糊，气体在工作液体卷吸作用下不断加速，并参与碰撞-反馈-谐振的自激振荡过程，从而在下喷嘴处被调制成脉冲水气射流。

图8 下喷嘴处水相平均速度振荡趋势

　　从图8和图9中还可以看出，作为对比的普通环形水气射流，扩散管入口处的水相速度、气相平均速度均远小于环形水气自激振荡射流下喷嘴处的相应速度，而且没有脉动的特性。由于自激振荡腔体内的环形水气混合射流在无约束状态下充分发展，较之作为对比的环形水气射流在长喉管中受到管壁约束和摩阻的影响，能量损失较小，通过的流体平均速度较大。由此说明，环形水气自激振荡射流抽吸气体的能力更为优越。

图9 下喷嘴处气相平均速度振荡趋势

结论

　　本文对环空水气自激振荡脉冲射流对气体卷吸机理进行了解释，通过数值模拟的方式得到了结构参数对吸气能力的影响关系，并完成了自激振荡腔室内部的流场分析。归纳如下：

　　(1)环形射流的扩展受到壁面的制约，形成了单侧扩展的射流。与中心喷射式射流相比，在相同流量的情况下，所形成的水汽混合流与气相的接触面积大，对气体的卷吸效果更好。

　　(2)环形水气自激振荡射流发生装置的结构参数，对吸气量的影响较大。按影响重要程度排序，分别是：下喷嘴与上喷嘴直径比d2/d1、进气口与上喷嘴直径比d/d1、自激振荡腔室长径比LC/DC、环形射流入射倾角α。通过数值模拟正交实验，获得了一组较优的参数组合。

　　(3)非定常计算的结果可以表明，在环形自激振荡脉冲射流的下喷嘴处，流体平均速度有明显的脉冲振荡，且相对于普通环形水气射流而言，气体的平均速度大大提高。这表明环形水气自激振荡射流对引射气体的卷吸作用有所增强，水气能量转换效率得到了提高。