流量自调式真空发生器流场数值模拟和调节策略研究

　　1　引言

　　真空发生器作为一种局部真空发生装置以其结构简单、工作可靠、使用方便等优点得到了广泛的应用。但是,由于目前使用的射流式真空发生器在工作时必须持续定量供气,空气消耗量很大,相应耗能也大。因此,如何解决真空发生器在使用中耗能大的问题,同时又要达到其原有的工作性能指标,是真空发生器研制中需要解决的一项技术难题。

　　为此,我们提出了一种流量自调式射流真空发生器的总体技术方案,并申请了国家发明专利(专利申请号200610040832.1)。该技术方案中,在拉瓦尔真空喷管前方设置了可调锥,在真空产生阶段,可调锥离喷管喉部具有一定距离,对真空喷管的通流面积没有影响,真空发生器可以快速响应建立设定的真空度;在真空维持阶段,通过控制可调锥进入喷管喉部的距离可实现对真空发生器供气流量的调节。前期的试验研究已经初步证实了该技术方案的有效性,当可调锥进行调节时,可以减少供气流量。但同时也发现,此时真空发生器的维持真空度也会有所下降。所以,为了保证该真空发生器能够维持正常工作所需真空度,同时也能达到最大的节能效果,需要确定合理的可调锥调节策略,这就需要对可调锥的调节过程及可调锥的受力进行精确的分析。实际上,该型真空发生器喷嘴喉部的形状和面积是变化的,流动过程涉及亚声速和超声速两个阶段,此外,在变截面情况下其流动是二维的,比较复杂。所以,采用传统的一维集中模型分析方法无法给出真空发生器内部流体流动精确的速度分布、压力分布、能量损失等信息,因而也就无法对可调锥部件进行正确的设计和控制,这是该型真空发生器研制中面临的一个难题。所以,进行流量自调式真空发生器内部流场精确的数值分析,对该型真空发生器的结构设计及可调锥的合理调节是十分必要的。

　　2　采用可调锥的流量调节原理

　　普通的射流式真空发生器主要由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管、被引射腔和混流管等组成,如图1a所示。当供气压力与喷管喉部压力的比值大于一定值时,供给气体在拉瓦尔喷管中加速形成超声速射流,引射流体在超声速射流的剪切作用下被卷吸至混合腔,而后形成单一均匀的混合流体,经过第二喉管和扩散腔减速压缩到一定的背压后排出真空发生器。在混合的过程中,由于激波系和边界层不断地进行相互作用,从而形成了极为复杂的流动结构,再加上粘性干扰等物理现象使得对真空发生器内部气体流动状态的理论描述变得十分复杂。

　　我们所提出的采用可调锥的流量自调式真空发生器的流量调节原理如图1b所示。在真空发生器拉瓦尔喷管的前方设置一个与其同轴的可调锥,当真空发生器的工作真空度达到一定值时,调节可调锥沿轴向方向的位移,改变真空喷管喉部的有效流通面积,从而减小真空发生器的供气流量,达到节能的目的。详细的调节原理请参见文献。