1 研究背景
随着全球经济的高速发展，制造业也迎来了发展的大好契机，真空发生器技术的发展吸引了国内外越来越广泛的关注。目前真空发生器普遍应用在真空行业以及气动行业等。笔者主要探讨真空发生器中混合室直径这一结构参数的变化所带来的影响。
式中:μm 为混合油黏度，mPa·s;μA、μB为组分油黏度，mPa·s;X A、X B为组分油质量分数;α为经验常数;δA、δB、△δ分别为组分油 A、B的密度和密度差，kg/m3。
气动式真空上料机是利用压缩空气通过真空发生器产生高真空实现对物料的输送，用以代替传统的机械式真空泵［1］，相比而言，真空发生器的体积更小，而且结构简单、免维修、噪声低且控制方便。目前广泛应用于压片机、胶囊填充机、干法制粒机、包装机、振动筛等机械的自动上料。笔者将运用数值模拟的方法，对真空发生器中混合室直径结构参数进行深入的探讨。
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2 混合室直径对喷射因数影响
为探究混合室直径对真空发生器喷射因数的影响，笔者以工作压力0.45 MPa、气体压缩比1.5工况［2］设计出的真空发生器为基础，改变其混合室直径，运用数值模拟的方法进行分析。根据索科洛夫理论计算得出的混合室直径为28 mm，现分别对混合室直径为24 mm、26 mm、30 mm、32 mm时进行模拟对比分析。图1所示为工作流量不变而引射流量随混合室直径变化的趋势。喷射因数等于引射流量与工作流量（质量流量）之比，不同混合室直径下喷射因数如图2所示。
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由图1可以看出，在工作压力0.45 MPa、气体压缩比1.5工况下，不同混合室直径的真空发生器的工作流量恒定，符合工作压力恒定、喷嘴喉径恒定时工作流量不变的规律。因为工作流量恒定所以引射流量和喷射因数变化趋势一致，均随着混合室直径的增大而先增大后减小，在混合室直径为30 mm时，引射流量和喷射因数达到最大。
由理论计算得出的最优混合室直径为28 mm，而模拟得知混合室直径为30 mm时喷射因数最大。理论计算是基于第二极限状态的假设上得出的，即认为混合室直径为28 mm时真空发生器处于第二极限状态，引射流体在混合室的某一截面上达到当地声速。
引射流量受可通过的有效截面面积和引射流体流速两个因素影响［3］。增大混合室直径，会使引射流体可通过的有效截面面积增大，但混合室直径越大，引射流体受出口背压影响越大，处于非极限状态时，引射流体的速度会随着混合室直径的增大而减小。混合室直径为30 mm时，真空发生器处于非极限状态，虽然引射流体的流速较极限状态小，但其可通过的有效截面积增大，此时有效截面积对喷射因数的影响要大于引射流体流速，所以其喷射因数较28 mm的真空发生器大。
▲图1 不同混合室直径下不同引射流量
▲图2 不同混合室直径下喷射因数
为了更直观地观察真空发生器内部压力和速度的变化，现对混合室直径依次为24 mm、26 mm、28 mm、30 mm和32 mm的真空发生器进行压力和速度云图分析，其压力和速度云图如图3～图7所示。
从图中可得知，混合室直径为24 mm时，气流在混合室出口会出现二次膨胀加速的现象，混合室直径为26 mm、28 mm、30 mm和32 mm时，随着混合室直径的增大，混合室区域内高速区域会逐渐减小。根据质量守恒定律可知，流量恒定时，截面面积变大，平均流速变小，虽然在混合室直径为24 mm、26 mm、28 mm和30 mm时，引射流量随着混合室直径增大而增大，但其总流量增大的速度小于截面面积增大的速度，所以高速区域会逐渐减小。
从图中可还得知，混合室直径为24 mm时，在混合室出口处会出现负压，这是因为气流的二次加速出现超声速，导致气流继续膨胀产生负压。混合室直径为24 mm、26 mm和28 mm的真空发生器在混合室入口处大负压区域较大，而混合室直径为30 mm、32 mm时大负压区域较小。混合室直径为28 mm、30 mm的真空发生器的喷嘴上端有明显和较大负压区域，因此外部气流更易被卷吸入混合室。
▲图3 混合室直径24 mm时速度与压力云图
▲图4 混合室直径26 mm时速度与压力云图
▲图5 混合室直径28 mm时速度与压力云图
▲图6 混合室直径30 mm时速度与压力云图
▲图7 混合室直径32 mm时速度与压力云图
引射流体不断加速达到声速后，工作流体和引射流体充分混合后以超声速流出混合管，这一现象叫做Fabri雍塞现象［4-5］。
图8所示为混合室直径为24 mm的真空发生器压力和速度双Y坐标图，虚线为混合室出口。可以看出，混合流体在混合室出口处再次加速并以超声速的状态流出混合室，说明此时真空发生器出现了雍塞现象。混合流体在混合室出口进一步膨胀，产生超声速，膨胀过后，在扩散室内，混合流体速度迅速降低，压力发生跃升。此时真空发生器的喷射因数仅为0.473。
图9所示为不同混合室直径的真空发生器轴向速度分布图，由速度曲线和压力曲线得知，在混合阶段，由于工作流体将一部分动能传递给引射流体，中心流体速度呈现下降趋势。
图10所示为不同混合室直径的真空发生器轴向压力分布图。可以看出，随着混合室直径的增大，速度下降越明显，压力上升越大。在扩散室阶段，动能转化为压力能，速度进一步降低，压力进一步提高。流体出口速度基本趋于一致，随着混合室直径的增大略有减小，因为设置的是绝热的过程，所以主要是动能和压力能及内能之间的转换。设定工况中，背压相等，因此压力相同，但随着混合室直径增大，摩擦面增大因此摩擦损失增大，内能增大，动能相对来讲降低较为明显，因此速度略低［6］。
图8 混合室直径24 mm时压力和速度双Y坐标图
▲图9 不同混合室直径轴向速度分布图
▲图10 不同混合室直径轴向压力分布图
混合室直径过小，引射流体可通过的有效截面面积就会减小，此时会出现雍塞现象，引射流量较小。混合室直径过大，受背压影响较大，会使得引射流体流速减小，从而使得引射流量减小。
混合室直径的最优值使得喷射因数达到最大值，模拟得到最优的混合室直径较理论计算所得的混合室直径略大，相对误差为7%。这主要是因为理论计算是基于第二极限状态［7］，即混合室直径为28 mm时出口压力（表压）50 kPa应该是临界压力，虽然模拟所得到的最优混合室直径为30 mm，但此时真空发生器已脱离极限状态，临界背压肯定小于50 kPa，降低出口压力时，出口流量变化较大。
考虑到实际应用中对真空发生器的升压能力要求较高，所以理论计算值较为准确。
3 混合室直径与背压的关系
为研究混合室直径与临界背压和可达背压的关系，笔者运用数值模拟的方法得出不同混合室直径的真空发生器在不同压缩比下的喷射因数。现以0.45 MPa/1.5工况下设计出来的真空发生器为准，计算得出真空发生器的混合室直径为28 mm。其它几何参数保持不变，现对混合室直径分别为30 mm、32 mm的真空发生器进行数值模拟，对其喷射因数进行统计，图11所示为不同混合室直径的真空发生器在不同气体压缩比下的喷射因数。
由图11可以看出，在混合室直径一定时，随着气体压缩比的增大，喷射因数先保持不变或缓慢减小，到达一定值时再急剧减小。在气体压缩比小于1.4时，混合室直径越大，喷射因数越大，这是因为引射流体通过的有效截面面积增大，所以引射流量变大，此时引射流量受可通过的有效截面面积影响较大。气体压缩比大于1.5时，混合室直径越大，喷射因数越小，混合室直径越大，受出口背压影响越大，此时引射流量受引射流体流速影响较大。
换算得知，混合室直径为28 mm时，临界背压［8］在40 kPa～50 kPa（表压）范围内；混合室直径为30 mm时，临界背压在30 kPa～40 kPa（表压）范围内；混合室直径为32 mm时，临界背压在20 kPa～30 kPa（表压）范围内。因此，增大混合室直径，真空发生器的临界背压会减小。
作为因大肠杆菌而引起的一种较为常见的疾病，肠炎的出现主要是因为家禽所食用的水资源和食物中含有大量的病菌，家禽食用后大肠杆菌进入其肠道中大量生长和繁殖，从而引发一些炎症，同时导致家禽的抵抗力持续下降，严重影响家禽的健康［1］。
混合室直径越大，随着压缩比的增大，喷射因数下降越明显。压缩比为1.7时，混合室直径为30 mm的真空发生器的喷射因数为负值，说明引射入口不再进行抽吸，而是将一部分工作流体从引射入口排出。压缩比为1.8时，混合室直径为32 mm的真空发生器的喷射因数为负值，一部分工作流体从引射入口排出，在气力输送的应用中不能起到增大气体流量的作用。换算得知，混合室直径为28 mm的真空发生器的可达背压（喷射因数为零时的出口背压）大于80 kPa，混合室直径为30 mm的真空发生器的可达背压在70 kPa～80 kPa范围内，混合室直径为32 mm的真空发生器的可达背压在60 kPa～70 kPa范围内。
▲图11 不同气体压缩比时喷射因数
所以可以得出，混合室直径较小时能够得到较高的压缩比，即升压能力较强，临界背压和可达背压也较高。
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通过对混合室直径分别为28 mm、30 mm和32 mm的真空发生器在不同压缩比下的压力和速度变化比较得知，工作流体经过喷嘴后会产生激波，激波过后，压力迅速上升，在混合室内压力趋近平稳，扩散室内压力进一步上升。从前述速度云图可以看出，喷嘴出口速度基本一致，没有受背压影响，这是因为背压小于临界压力。压缩比越大速度下降越早，与压力上升相一致。随着压缩比的增大，出口速度会减小，根据能量守恒得知，压力能越大动能越小，所以出口速度越小［8］。
对比不同混合室直径的真空发生器可知，混合室内的静压随着压缩比的提高而提高，混合室内流体速度随着压缩比的提高而降低，混合室内压力提升得越快，说明背压越大激波越向喷嘴的方向移动。对比混合室直径为28 mm、30 mm、32 mm的真空发生器在压缩比为1.8时的压力曲线可知，混合室直径较大时，扩散室的升压能力较弱。
图12、13、14依次为混合室直径28 mm、30 mm、32 mm的真空发生器在工作压力0.45 MPa、气体压缩化1.5工况下的速度云图。可以看出，混合室直径为28 mm时，射流尾迹较混合室直径为30 mm和32 mm的真空发生器要长，在混合室后端，混合流体的速度也最大。
随着混合室直径的增大，混合流体通过的截面面积增大，虽然30 mm的真空发生器引射流量较28 mm的引射流量大，但不足以抵消截面面积增大的速度［9-10］，因此混合流体的速度依旧较小。
▲图12 混合室直径28 mm时速度云图
▲图13 混合室直径30 mm时速度云图
▲图14 混合室直径32 mm时速度云图
▲图15 混合室直径32 mm、工作压力0.45 MPa、出口背压18 kPa时流体轨迹图
图15所示为混合室直径为32 mm的真空发生器在工作压力（表压加大气压）为0.45 MPa、出口背压（表压加大气压）为18 kPa下的轨迹图。可以清楚地看出，在背压较大时，有一部分工作流体从引射入口排出，引射入口不能够再实现抽吸外部气体的作用，真空发生器不再工作。
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4 结束语
笔者主要探讨了真空发生器的混合室直径对喷射因数和背压的影响。
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混合室直径对真空发生器的喷射因数及升压能力均有较大影响，存在一个混合室直径28 mm，使真空发生器恰好处于第二极限状态。混合室直径越小，真空发生器的升压能力越大，可达背压和临界背压越大。
