真空发生器性能仿真与实验研究

　　该文运用数值仿真与实验的方法研究了进口压力与出口压力对真空发生器性能的影响。结果表明，进口压力与出口压力对其真空度的影响较大，且存在一个最佳临界值使得其真空度最大。耗气量随着进口压力的增大而增大，但其随着出口压力的增大基本保持不变。

引言

　　真空发生器是一种利用气体高速喷射流产生的卷吸作用，使密闭容器内产生一定真空的元件。真空发生器具有小型、高效、经济、清洁及安全等特点，广泛应用于包装、印刷、医药、汽车、机器人等工业自动化领域，尤其在非平面、轻柔、易碎等物体的抓取方面具有独特优势。

　　真空发生器的工作参数直接影响其性能的发挥，本文运用CFD数值仿真与实验相结合的方法，系统地研究进口压力与出口压力对其性能的影响规律。

真空发生器的结构及工作原理

　　真空发生器主要由喷嘴、吸入室、混合室及扩压室组成，其结构简图如图1所示。压缩空气在短圆管中高速流动时，与外界的热交换较小，可近似为一元定常等熵过程，其能量方程为

图1 真空发生器结构简图

　　由式(1)可知，通过提高气体流速可降低其气压，当流速升高到一定程度时，其气压低于大气压，即产生真空。由式(2)可知，通过改变流道截面积可以改变气体流速。当M<1(亚音速)，流速与流道截面积成反比，即流道截面积增大，流速减小;当M>1(超音速)，流速与流道截面积成正比，即流道截面积增大，流速增大;当M=1(音速)，流速达到临界流速，流道截面最小。工作流体以亚音速从P口进入喷嘴，经过喷嘴的渐缩管增速，流至喷嘴喉管时达到音速，经过喷嘴的渐扩管继续增速，流出喷嘴后流速达到最大且为超音速，压力最小，产生的低压抽吸H口的引射流体，在此处高速的工作流体与低速的引射流体混合，进行动能交换，引射流体被加速，工作流体减速，至此流体加速过程结束，超音速的流体经过混合室渐缩管开始减速，到达混合室喉管后流体的流速逐渐均匀，出混合室喉管时流速基本均匀且减为亚音速，随后，经混合室渐扩管继续减速，出混合室渐扩管时流体压力基本接近大气压，从而降低了噪声。

　　由真空发生器的工作原理可知，其性能的充分发挥与工作参数有很大关系，工作参数主要包括进口压力与出口压力。性能主要包括真空度、耗气量、吸入流量及吸着响应时间。本文通过数值仿真及试验的方法研究工作参数对其性能的影响规律。

结论

　　(1)当出口压力pc保持不变及引射口密封时，进口压力pp存在一个最佳临界值p*p。当pp< p*p时，混合室内未形成壅塞流，真空度随着pp的增大而增大;当pp>p*p时，混合室内形成壅塞流，真空度随着pp的增加却缓慢减小。

　　(2)当进口压力pp保持不变及引射口密封时，出口压力pc也存在一个最佳临界值p*c。当pc<p*c时，混合室内形成壅塞流，随pc的增大最真空度却基本保持不变;当pc>p*c时，混合室内壅塞流消失，但马赫数逐渐降低，最大真空度逐渐减弱，直到降为零。

　　(3)随着进口压力的增大，耗气量近似线性增大;但随着出口压力的增大，耗气量基本保持不变。

　　(4)仿真计算与实验结果基本一致，说明仿真计算模型是正确的。