1 前言
喷射式真空泵具有无运动部件、结构简单、运行可靠等优点［1］，在石油化工、能源动力等行业广泛应用。在其工作过程中，喷嘴是产生超音速射流的核心部件，因此其结构的变化对喷射泵性能的影响最为显著。大量的研究表明，改变喷嘴的结构可以使工作流体与引射流体在流动的过程中产生尺度较大的旋涡结构，能够明显地增强两股流体的混合效果［2～4］。因此很多学者把选择新型结构的喷嘴作为一种增强混合效果的方法。其中，有学者提出了一种可调式喷嘴［5，6］，即在喷嘴内部安装一个调节锥，通过改变调节锥的相对位置来改变流体流道的截面积，从而达到改变流体流量的目的；Yang分别对比研究了矩形、圆形、十字形等改型喷嘴结构对引射器工作性能的影响［7，8］，得到十字形喷嘴对引射器流体的混合效果较好。
本文提出一种新型旋流引射喷嘴，采用切向入旋和顶部导向元件加旋2种方式进行加旋，可以通过顶部导向元件来微调喷嘴的旋流引射强度。为了更加清晰地展示旋流引射的效果，本文也采用一无旋流的普通喷嘴模型，对比分析新型旋流喷嘴和原有喷嘴在喷射式真空泵内部流场上的差异和对其工作过程性能的影响［9］，为新型旋流喷射式真空泵的设计提供重要的理论依据。
2 喷射式真空泵的基本原理
2.1 工作原理
喷射式真空泵结构如图1所示，主要包括接受室、喷嘴、混合室及扩压室。工作流体以一定的压力从工作入口进入喷射泵，通过喷嘴绝热膨胀，以超音速射流喷出，在喷嘴出口区域形成负压，在气体黏性力的作用下，引射流体被卷吸至混合室，并与工作流体发生混合，进行能量交换后，混合流体经过扩压室扩压流出，在工作过程中不需要直接消耗机械能就可以提供低压环境。
图1 喷射泵结构示意
2.2 工作过程基本方程
（1）一维连续性方程：在流体通道内任何一截面，流体的质量流量在任何时候都相等，即任何一个截面的流动参数处处相等，即：
式中 A——流道截面面积
adcresulta0[SampleCount-1]=adc[0]; //将ADCINA0数据存入数组adcresulta0[]中
cf——流体速度
v——比体积
（2）能量方程：气体在任一流道内做稳定流动，气体在流道内流动时不与外界做功和能量交换，都满足稳定流动能量方程，气体动能的增加量与气体的焓降相等，即：
式中 h——焓值
地面校准试验时，将加装了应变计电桥的拉杆采用专门研制的约束装置安装在拉压试验机上进行载荷校准试验(图4)，试验分拉向加载和压向加载两种，校准载荷沿拉杆轴向施加。每种校准载荷施加两次，从0开始，分十级施加到最大校准载荷(本次试验，拉向最大校准载荷为800 N，压向最大校准载荷-800 N)，然后分十级卸载到0，试验中同时记录应变电桥响应和校准载荷。
（3）力学条件：流体在流动中如果流速增加，则压力必然下降；如压力升高，流速必然要下降；压力与速度的变化方向始终是相反的，即：
为提高混凝土的密实度，改善其抗裂性能，混凝土振捣采用二次振捣的方法。在新浇混凝土覆盖下一层混凝土时，振捣棒应插入下一层混凝土中50 mm左右进行振捣。二次振捣在混凝土初凝前完成。
式中 p——压力
κ——绝热指数
M——马赫数
a——当地流速
（5）专属性试验：分别吸取以上3种溶液按拟定的色谱条件进行测定，结果表明，阴性对照色谱中，在与黄芪甲苷、供试品色谱相应的位置上无色谱峰出现，专属性良好，结果见图1。
（4）几何条件：流体流速的变化不但与流道截面积的变化规律有关，而且还与马赫数有关。
3 新型旋流引射喷嘴
新型旋流引射喷嘴结构如图2所示，其由喷嘴导筒、可调式螺旋导流器、密封垫、切向入口喷管组成。采用切向加旋和顶部导向元件同时加旋，旋流导向元件顶部布置的优势是可以减小中心布置导流器件对流体产生的阻碍，同时也填补了在喷嘴内部流体切向入旋形成的低压区，减少了流体能量的损失。可以通过调节导向元件的深入量来改变射流旋流强度，使得喷嘴内流体迅速掺混，在喷嘴出口处形成卷吸力，提高喷嘴出口的卷吸程度，使其更容易抽吸引射流体。
图2 新型旋流引射喷嘴结构
此喷嘴旋流引射的工作过程为：导筒与气体压力管道连接，工作流体通过两个直槽型切向入口进入喷管，当高速气流射入到喷管内表面时，在喷管的内壁上形成强烈的旋转流场，在可调式螺旋导流器的整流、引导下，使得具有切向动量的高速旋转气流获得向喷口方向的动量，再经过喷管的缩放段减压增速，在喷管出口形成高速的旋转射流。在气体的扰动和黏性作用力下，对接受室内的气体造成抽吸力，两股气流再经过混合室、扩压室进行能量和动量的交换，最终排出喷射泵。可以通过可调式螺旋导流器调节切向动量和轴向动量的比例来改变射流旋流强度。
3.1 物理模型与网格划分
采用切向加旋的旋流喷嘴结构，应用Gambit来完成喷射泵三维几何模型的网格划分，如图3所示。采用四面体非结构化网格，网格大小设为1，网格总数为428000，节点数为3643510。
图3 网格示意
3.2 旋流引射的求解
几何模型完成三维网格划分后，将其读入FLUENT中，选用了基于压力度的显式求解器。为了提高计算速度，在开始时采用非定常模型，当流场稳定后采用定常模型。采用两相流Mixture模型，湍流模型采用标准的三维k-ε模型，压力速度耦合方式采用SIMPLE，采用二阶迎风格式，边界条件如下：（1）引射流体入口：设置入口压力0.02 MPa，温度285 K，采用压力入口边界条件；（2）工作流体入口：设置入口压力0.6 MPa，温度300 K，操作压力为0，采用压力入口；（3）混合流体出口：设置压力0.11 MPa，温度325 K，采用压力出口边界条件；（4）壁面边界条件：采用无滑移绝热壁面。
4 新型旋流喷射泵的数值模拟结果
4.1 内部压力场分布
图4所示为对比模型和旋流模型轴向剖面x=0截面静压分布云图，由图可见在喷嘴出口附近静压值和引射流体入口一致，在混合室中，可以看到因发生能量交换而产生的静压变化，静压也在震荡。从旋流模型可以看出，静压并不像对比模型那样在喷嘴出口附近与引射流体一致，而是在流体未到达喷嘴出口时，形成了一个更低的压力，这是因为在流场的高速旋转下，在喷嘴渐阔段内沿径向产生了一个旋转的离心压力场。这个离心压力场提供了空气旋转所需要的离心力，也是旋流引射比普通引射卷吸力更强的原因，致使一部分引射流体在喷嘴出口内就与工作流体发生首次混合，在经过能量交换后和工作流体混合，形成超音速射流喷出。
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图4 静压云图
4.2 内部速度场分布
对比模型和旋流模型轴向剖面x=0的速度云图如图5所示。
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图5 速度云图
对比模型在喷嘴喉部工作流体达到音速，在喷嘴出口处形成超音速射流，在喷嘴出口外超音速射流继续增速，并伴有激波的产生，气体在扰动作用力下，超音速射流在吸入室内卷吸引射流体流向混合室，在这个过程中伴随着多次激波的产生，在混合室中两股流体发生能量交换后，再流经扩压段扩压排出，压力升高到背压。同样，从旋流模型可以看出，旋转流场在喷嘴出口也形成了超音速射流，在混合室中两股流体流速趋于一致形成混合流体，混合流体再经扩压段扩压降速，压力达到背压。旋转超音速射流的特点是，超音速射流比较短，在未到达混合室入口前超音速射流就降为亚音速，其原因是，高速的旋转流场的产生需要一定的压力差来补偿，致使在相同工作流体压力下，旋流喷嘴内流体压力小于无旋流喷嘴内的压力。因此，增加旋转射流长度可以适当提高工作流体压力。
图6为对比模型和旋流模型喷嘴出口局部放大速度矢量，可见2种模型在喷嘴出口都形成了超音速射流，不一样的是，在旋流模型喷嘴出口形成了强烈的卷吸力，这是因为在流场的高速旋转下，喷嘴渐阔段沿轴线方向形成一个离心力，在喷嘴渐阔段内形成了更低的真空度，致使引射流体被压入，在喷嘴出口处工作流体就与引射流体混合，发生能量交换。
图6 喷嘴出口的速度矢量
图7 为对比模型和旋流模型迹线图，旋流模型因工作流体的切向进入，在喷嘴内形成了强烈的旋转流场，在喷嘴出口形成旋转射流，和对比模型相比，具有出口紊流程度高，卷吸能力强的特点。
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图7 迹线图
图8 为对比模型和旋流模型在不同工作压力下对应引射系数的变化规律。2种模型引射系数都随工作流体压力增大而增大，在压力小于0.55 MPa时，旋流模型的引射系数小于对比模型，这是因为旋流模型此时主要以克服压力损失为主，在喷嘴出口处形成了一个旋转流场，造成工作流体流动过程中压力损失较大，致使在相同工作流体压力下，旋流喷嘴内流体压力小于无旋流喷嘴内的压力。当工作流体压力大于0.55 MPa时，旋流模型引射系数有了明显提高，引射系数大于对比模型。因此，旋流的引射效果优于普通引射，并且可以适当提高工作流体压力来增加旋流引射的引射系数。
图8 2种模型对喷射泵工作性能的影响
5 结论
（1）针对喷射式真空泵工作过程存在吸入性能差、引射效率低等问题，在喷嘴结构方面，提出了一种新型旋流引射喷嘴，采用切向入旋和顶部导向元件加旋2种方式进行加旋，可以通过顶部导向元件来微调喷嘴的旋流引射强度，并针对切向加旋方式做了对比模拟分析。
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（2）旋转射流在流体未到达喷嘴出口时，形成了一个更低的压力，这是因为在流场的高速旋转下，在喷嘴渐阔段内沿径向产生了一个旋转的离心压力场，正是这个离心压力场使气流发生旋转，这也是旋流引射比普通引射卷吸力更强的原因。
（3）工作流体与引射流体发生混合的位置提前，与一般自由射流比较，它具有出口紊流程度高，卷吸能力强的特点。旋流引射效果优于自由射流，而且工作流体压力越大优势越明显。
