结构参数对大气喷射器性能影响的数值模拟研究
针对旅客列车真空集便系统中的核心部件之一———大气喷射器，借助CFD 软件Fluent，研究了大气喷射器在使用过程中，喷嘴入口长度及锥角、喷嘴喉部长、喷嘴出口长度及直径、扩张管出入口长度及直径、扩张管喉长度对大气喷射器工作性能的影响，为此类大气喷射器结构参数的设计及优化提供了理论依据和指导方向。
1、前言
大气喷射器是一种结构非常简单的真空元器件，因其产生真空快、真空度高、运行可靠等优点，在化工、电子、机械等行业得到了广泛的应用。如环保、节能的新型旅客列车真空集便系统，大气喷射器为其核心元器件之一。其系统工作原理如图1 所示。
图1 真空集便系统工作原理示意
以气源即压缩空气为工作介质，经过滤减压阀进入大气喷射器，使污物箱内较快产生一定真空度，通过排泄阀的开启，将便盆内的污物抽吸至污物箱内，喷射器再次将污物箱抽至要求真空度，等待下次工作。可知，喷射器的真空产生时间、产生真空度等工作性能对系统工作有着至关重要的影响。因此对其工作性能的研究，对系统中大气喷射器的选用、设计及优化有着重要的实际意义。流体软件Fluent 在亚声速及超声速流动中已经经过了大量算例的验证，不但可以得到较为准确的性能参数，克服了手工计算过于复杂、试验耗费较大的缺点，且可以详细地研究内部具体的流场形态及分布规律。因此本文利用其对大气喷射器进行数值模拟研究。
2、大气喷射器结构及性能参数
2.1、大气喷射器的主要结构参数
根据工作原理可知，气流经入口至喷嘴喉部处逐渐加速当地音速，从喷嘴喷出时膨胀达到超音速。与吸入气体共同经扩张管排出后，速度减小为亚音速。图2 为大气喷射器工作示意。
图2 大气喷射器工作示意
虽然大气喷射器结构不算复杂，但其内部流动时发生的可压缩的超音速混合过程十分复杂，且存在着激波的相互作用，所以增加了对其研究的困难。目前已有较多的学者用数值模拟的方法对大气喷射器进行了较为深入的研究，多为喷射器结构尺寸一定的情况下，外界因素对其性能的影响研究。根据气体动力学中一元定常等熵流动时通流截面积与气流的速度二者的关系式：
式中f ———通流截面积
M ———马赫数
c ———流速
由式(1) 可知，喷嘴和扩张管的结构形状尺寸对大气喷射器工作性能有着决定性的影响。一些研究中利用试验或数值模拟的方法得到了喷嘴及扩张管最小直径或喷嘴距等对耗气量及排气量的影响关系。对于一些理论得出的大气喷射器设计方法中，喷嘴、扩张管的入口及出口的直径、长度和锥角等结构尺寸给出的只是范围取值，实际的设计过程中的选择较为不便。因此，对大气喷射器喷嘴及扩张管入口及出口的结构尺寸与工作性能关系的研究，可为喷射器结构参数的设计及优化提供理论依据和指导方向。
2.2、大气喷射器的主要性能参数
(1) 耗气量G1：指从喷嘴流出的气体在基准状态下的质量流量或体积流量。
(2) 排气量G2：指从真空口接口处吸入的气体的流量。当真空口接口直接与大气相通时，其排气量最大，称为最大排气量。
(3) 真空度P：指工作情况下，大气压强P0与真空腔的绝对压强差值。当真空接口完全封闭，即排气量为零时，真空腔所能达到的真空度称为最大真空度。
(4) 喷射系数u：排气量G2与耗气量G1之比为喷射系数u ，为真空发生器工作效率的指标。喷射系数越大表示抽吸真空速度越快。
2.3、大气喷射器计算模型
本文将根据已有设计经验计算所得喷射器基本模型，主要几何参数如图3 所示。以大气喷射器在旅客列车真空集便系统中的使用情况为工作环境，车上气源供气范围为0.3 ～ 0.9MPa，且经过滤减压阀可调节。入口选用压力入口边界条件;出口选用压力出口边界条件，压力为101325Pa。计算采用理想气体模型。采用耦合求解器，二阶迎风格式进行离散。操作压力为0Pa，即采用绝对压力表示。根据文献中的结果对比，RNG κ - ε 模型在预测气流激波、平均压力变化等方面更为合理，故湍流模型采用RNG κ - ε 模型。选用轴对称回转条件完成三维与二维间的转换。壁面选用无滑移、无渗流、绝热壁面边界条件的标准壁面。
图3 大气喷射器结构简图
图4 为喷射器耗气量G1随工作气体压力Pp变化曲线，从图中可知，模拟结果的喷射器的G1随Pp变化的趋势与试验结果完全一致，耗气量均随工作气体压力的增加而增加，二者结果最大相差为8.8%，因此所述边界条件的设置和模型选择对喷射器的模拟是准确的，本文采用上述方法进行模拟分析。
图4 耗气量随工作气体压力变化
4、结论
(1) 存在最佳工作气体压力Pp范围，使喷射器综合性能达到最优。合理增加喷嘴入口锥角和喉部长度可以减小耗气量，提高喷射器工作性能。在最佳Pp范围内，喷嘴入口锥角与喉部长度之间存在最优比，使喷射器性能最优;
(2) 耗气量不受喷嘴出口长度与直径的影响。在最佳Pp范围内，存在最优喷嘴出口长度与直径关系，使喷射器综合性能最优。大于最佳Pp，最大真空度随喷嘴出口长度与直径的增加而减小;
(3) 在喷射器整体尺寸允许范围内尽可能增加扩张管的长度及出口直径，可以提高喷射器工作性能。而扩张管入口直径的增加有利于喷射系数的增加，使得喷射器工作速度加快，但却使最大真空度降低;
(4) 要得到较快的抽吸速度还是要得到较大的真空度，需要根据实际工作要求进行决定要较高的喷射器的喷射系数还是最高真空度，择优选择适合的喷嘴及扩张管结构。或者二者结构折中考虑以提高喷射器综合工作性能。
