第49卷第4期2021年4月
华中科技大学学报（自然科学版）
J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Natural Science Edition)
Vol.49 No.4
Apr. 2021
DOI：10.13245/j.hust.210402
蒋利杰a张人会a’b陈学炳a
(兰州理工大学a.能源与动力工程学院：
b.甘肃省流体机械及系统重点实验室，甘肃兰州730050) 摘要为研究喷射器内流场特性及其与液环泵的匹配关系，在液环泵进口前串联喷射器，通过数值模拟和
试验相 结合的方法对液环泵喷射器系统内流动进行研宄，分析喷射器内部超声速射流产生的激波现象及其与边界层相互 干扰引起的流动分离复杂流动结构，研宄不同尺寸喷射器和液环泵的匹配关系及其对泵性能的影响机理.结果表 明：喷嘴出口在压差作用下产生超声速射流，形成规则分布的激波串，激波与边界层相互干扰引起了流动分离，压力、密度和马赫数等参数在喷嘴出口呈振荡分布；液环泵进口前串联大气喷射器，在合理的匹配条件下能提升 系统吸入口的真空度及流量，改善液环泵进口的工作条件；一定范围内随着喷射器几何尺寸的增大，引射真空度 逐渐增大、泵进口吸气量逐渐提升，喷射器有效工作范围增大. 关键词液环泵；喷射器；激波现象：流动分离；匹配特性：真空度
中图分类号TH38 文献标志码A 文章编号1671-4512(2021)04-0008-06
Internal flow field in ejector of liquid-ring pump and its matching characteristic
with liquid-ring pump
JIANG Liji^ ZHANG Renhut'' CHEN Xuebing"
(a. School of Energy and Power Engineering；b. Key Laboratory of Fluid Machinery and Systems of Gansu Province, Lanzhou
University of Technology, Lanzhou 730050* China)
垂直母排
Abstract To study the internal flow field characteristics of the ejector and its matching relation with the liquid ring pump* the ejector was connected in front of the liquid ring pump inlet, and the internal flow in the liquid ring pump ejector system was studied by combining numerical simulation and experiment. The shock wave phenomenon generated by the supersonic jet inside the ejector, and the complex flow structure caused by the interaction between the shock wave and the boundary layer were analyzed. The matching relation between different size ejector and liquid ring pump, and its influence mechanism on pump performance were also studied. Results show that the supersonic jet is produced at the nozzle outlet under the effect of pressure difference, and the regular shock wave string is formed. The flow separation is caused by the interaction between the shock wave and the boundary layer. The parameters such as pressure, density and Mach number are oscillatory at the nozzle outlet. The air ejector connected in front of the liquid ring pump inlet would increase the vacuum and flow rate of the suction port and improve the inlet working conditions of the liquid ring pump under reasonable matching conditions. Within a certain range, with the increase of the geometry size of the ejector, the vacuum of ejector inlet increases gradually, the suction capacity of pump inlet also increases gradually* and the effective working range of the ejector is extended.
三爪拉马
Key words liquid-ring pump；ejector；shock wave phenomenon；flow separation；matching characteristic；vacuum 液环泵作为一种抽送气体的流体机械，由于其 独特的优点被广泛应用于各行业领域，但实际应用算牌器
收稿日期2020-09-10.
作者简介蒋利杰(1992-)，男，博士研究生；张人会(通信作者)，教授，E-mail: **************.
基金项目国家自然科学基金资助项目(51979135)；国家重点研发计划资助项目(2016YFB200901).
第4期蒋利杰，等：液环泵喷射器内流场及其与液环泵匹配特性
中液环泵效率普遍较低，并且进口真空度过高时易 发生汽蚀，引起不必要的振动和噪声，使得液环泵 不能长时间在较低吸入压力下工作，工作范围受到 限制，严重影响泵的性能.通过在液环泵进口串联 喷射器的方法来提升液环泵的抽气能力，改善汽蚀 条件，已成为该领域的研宄热点.文献[1-6]运用数 值模拟和试验相结合的方法研究了液环泵喷射器内 部流场结构分布特征，分析了几何参数、网格类型 和揣流模型对喷射器内流场结构的影响，并提出了 喷射器的参数化建模方法.文献P]研究了液环泵 和喷射器的相互匹配问题，提出了当气体喷射器在 极限压力下工作时与液环泵的最佳抽速配比，并且 对其进行了试验验证.文献[8-12]针对液环泵汽蚀 及振动噪声问题，提出了加装液环泵前级设备大气 喷烟气脱硫设备
射器的改造措施.文献[13]在液环泵的基础上对 旋涡喷射真空装置进行了试验研究，确定了旋涡喷 射器喷嘴几何形状对真空机组状态特性的影响.文 献[14]利用Openfoam的显式和隐式求解器研究了 超音速喷射器在真空装置上的应用.文献[15-16]选 择将喷射器作为液环杲前级设备，以达到扩大泵工 作范围及预防汽蚀的目的.文献[17]研究了喷射器 的内流场结构及几何参数对于循环制冷系统性能的 影响•文献[18]针对超音速喷射器在真空泵及其他 设备上的应用做了相关的试验研宄.文献[19]针对 蒸汽喷射真空泵性能做了 CFD数值模拟研究，分析了蒸汽喷射器各热力学参数对真空泵操作性能的 影响.
现有研究虽然对喷射器改善液环泵性能的应用 有大量的报道，且分别对喷射器和液环泵各自的工 作机理及流动特征有诸多研究[2〜24]，但对两者耦合 作用下的内流场特征及匹配机理不明.为进一步探 索喷射器与液环泵的匹配机理，寻提升液环泵性 能的理论支撑，本研究采用数值模拟和试验相结合 的方法对液环泵喷射器系统进行研究分析.
1计算模型及试验方案
1.1几何模型及参数
本研究以2BEA202型液环泵匹配KLRC200型喷射器为研究对象，液环泵喷射器扩压室出口连接 液环泵进口，其几何结构如图1所示.液环泵基本 几何参数为：壳体半径if=211.5mm；叶轮半径广2= 183 mm；轮毂半径'=91.5 mm；叶片宽度6=130 mm；转速n=1 450 r/min；偏心距e=23mm•喷射 器基本
几何参数为：喷嘴喉径£)D1=4.4mm；喷嘴入口直径£>D2=16mm；喷嘴出口直径Z)D3=8.8mm；混 合室入口直径£^=24 mm；混合室喉径Z)D5= 18 mm；扩压室出口直径£)D6=40mm；扩压室长度
1—工作入口；2—喷嘴；3—吸入室：4—混合室：5—混合室喉 部；6—扩压室；7—壳体：8—吸气口；9—排气口 ：10—叶轮：
11 一液环泵进气端；12—引射入口.
图1液环泵喷射器系统二维结构及三维造型
210 mm.
液环泵与喷射器匹配系统求解域如图1所示，对其进行三维建模并对整个计算域划分结构化网 格，为了更加精确捕捉到喷嘴出口的激波结构，研 究其与边界层的相互作用，对喷嘴内网格进行局部 加密并划分边界层网格，网格总数为4x l06.截取 喷射器轴面并将边界层和喷嘴部分网格局部放大，如图2所示.
(b)液环泵网格
图2计算域网格视图
1.2边界条件设置
液环泵喷射器系统内部流动结构极其复杂，既有气液自由分界面两相流动，又存在激波与边界层 相互干扰作用.为了更加真实地反映系统内部流场 特征，捕捉清晰的气液交界面及激波串结构，两相 流及其湍流模型分别选取VOF(流体体积分数)两相 流模型和RNG(重整化的数学方法从-e湍流模型，两相介质分别选用理想气体和水，考虑重力和表面
张力的影响；工作气体及引射气体入口均采用压力
• 10*华中科技大学学报（自然科学版）第49卷四季汤
度A 随吸气量的变化曲线如图4所示.
QJ(ml ■ h _l)
图4
液环泵喷射器系统性能曲线
从图4可以看出：当液环泵串联喷射器时，数 值模拟结果与试验结果基本一致，随着泵进口吸气 量的增大，引射入口真空度逐渐降低，由于数值模 拟中未考虑间隙泄漏的影响，因此吸气量的数值模 拟值高于试验值.对比有、无喷射器时的试验结果 可以发现：流量-真空度曲线在尺点相交，当引射
入口真空度高于0.072 MPa (/：点以左)时，液环泵与 喷射器匹配系统吸气量高于无喷射器时的吸气量, 当栗进口流量相同时，喷射器引射入口的真空度提 升了，交点以左属于喷射器有效工作范围；当引 射入口真空度小于0.072 MPa (尺点以右)时，液环泵 与喷射器匹配系统吸气量下降，能耗增加.因此， 液环泵和喷射器应合理匹配，并在合理的工况点启 动喷射器.
进行液环泵和喷射器耦合系统的内流动数值模 拟，待稳定收敛后，选取其一工况(0.08 MPa 引射 真空度)进行流场特征分析，液环泵叶轮中间截面 及喷射器轴面的相态场及速度场分布如图5所示.
(a)相态分布
（b)速度分布(标单位：m • s’
图5液环泵叶轮中间截面及喷射器轴面流场分布
由图5(a )可以看出液环泵内气液两相完全分
离，由于叶轮工作面与背面的压差作用，因此叶轮 流道内气液分界面呈锯齿形分布，由于叶轮偏心安
装在壳体内，因此相态分布不对称.由图5(b )速度
进口边界，泵出口采用压力出口边界(标准大气 压)，无滑移、无渗透绝热壁面，速度和压力场的 耦合采用PISO (速度压力耦合算法)算法，时间步长 设置为 A f =lx l 〇-5 s .1.3试验装置及方法
为了测试液环泵喷射器系统的性能，验证数值 模拟的合理性，搭建了如图3所示液环泵试验系 统，该试验台包括液环泵、喷射器、动力及控制系 统、补液系统、数据采集系统、进出口管路系统 等.为保持泵内的液量，由离心泵直接往液环泵滑 动轴承端部补液，一方面可以补充液量，同时又可 以起到润滑轴承的目的，补液流量由补液管路上的 流量计测量，由试验测得：当液环泵补液量为 0.075 m 3/h 时性能最佳，选择在此补液量下进行试 验研宄.
当液环泵单独进行试验时，试验前开启阀门 13和15，关闭阀门9和14.启动液环泵，参照液 环泵的试验标准，由进口管路调节阀门15的开度 来改变泵进口真空度，测试各工况数据.当串联喷 射器进行试验时，关闭阀门13，开启阀门9和14, 喷射器投入运行，通过调节阀N 14的开度来改变 喷射器引射入口的真空度，进行各工况点的试验. 泵进口真空度由安装在进口管路上的真空表测量, 流量由安装在进口管路上的孔板流量计测量.
1 一水槽；2—变频柜；3—孔板流量计；4一供水泵；5 —电机；6—液环泵：7—气液分离罐；8—喷射器：9一流量调节阀；10—涡街流量计；11 一真空表；12—真空表；13—闸阀；14—压力
调节阀：15—压力调节阀：丨6—排水管；17—进水管.
图3液环泵喷射器试验系统图
2结果分析
2.1内流场分析
对液环泵与喷射器匹配系统进行试验，将试验
结果与数值模拟结果进行对比，得到了泵进口真空
第4期蒋利杰，等：液环泵喷射器内流场及其与液环泵匹配特性
分布可以看出：速度最高区域位于喷射器内，尤其 喷嘴内速度达到了超声速，喷嘴出口形成高速射 流，高速射流逐渐通过旋涡向低速流体传递能量，并且低速流体在与高速射流间的强剪切作用下被卷 吸进入吸入室内，液环泵内速度从进口开始沿周向 逐渐减小，进口速度大于出口.
为了更加详细分析喷射器内部流动状态，截取 喷射器轴面，其上的马赫数、密度、压力分布如图 6所示.
I I I I I I I ~
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4
I I I I I I I
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
■S"
(b)密度云图(标单位：kg • m-3)
95.048 -70.703 -46.357 -22.012 2.333
(c)压力云图(标单位：kPa)
图6喷射器内流场分布
图6(a)为喷射器轴面上的马赫数等值线云图分 布，从图中可以看出喷嘴内声速达到2倍以上当地 声速，形成激波串，激波前后超声速和亚声速区交 替存在，激波是一种在可压缩介质中传播的强冲击 性压缩波，其发生条件为比所处介质声速更快的速 度行进的强扰动.图6(b)为喷射器内介质密度分布 图，由于激波的存在，介质密度在喷嘴出口呈振荡 分布.从图6(c)可以看出：喷嘴出口压力呈振荡分 布，且压力低于周围环境压力，引射气体能够在强 剪切的作用下被卷吸进入吸入室，两种气体在混合 室内充分混合后进入扩压室，混合气体在扩压室内 减速增压，可以明显看出扩压室内压力高于引射入 口压力，液环泵进口真空度降低，因此安装喷射器 能够提升泵进口压力，有利于改善液环泵汽蚀性 能.综上所述可得：在激波区域内，喷射器内压 力、密度及马赫数的振荡分布特征相对应，激波区 域流场梯度较大.
图7(a)为喷射器内流线与马赫数分布，图7(b)为喷嘴出口单侧局部放大图.从图7(a)可以看出：流线在吸入室及混合室内分布较规则，喷嘴出 流与吸入流体之间存在强剪切层，在靠近喷嘴出口 处由于激波与喷嘴出口扩散段边界层的相互作用形 成对称分布的分离涡.从图7(b)可以看出：喷嘴内 一系
列压缩波系区域不断变窄逐渐形成入射激波，入射激波经边界层反射形成反射激波和膨胀波系，并且在与边界层的干扰作用下形成分离激波，流动 逐渐在分离点发生分离，并且在分离点后形成分离 泡，边界层增厚.喷嘴内激波前后超声速区和亚声 速区交替存在，分离涡的存在致使流道堵塞，对喷 射器性能有一定影响.
I I M: ■
0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2
(a>马赫数云图和流线
图7喷射器马赫数分布与流线
2.2液环泵与喷射器的匹配关系
从图4可以看出：液环泵与原型喷射器KLRC200匹配后，喷射器的有效工作范围较小(交 点点以左)，大部分工况下(尺点以右)液环泵与喷 射器不匹配，不仅没有提升液环泵的性能，反而增 加了能耗，原型喷射器成了…个阻力部件，这是因 为原型喷射器尺寸偏小.为了更进一步分析液环泵 和喷射器的匹配关系及相互影响，在原型喷射器的 基础上，几何尺寸分别线性放大至1.25倍(B型)和1.50倍(A型将其串联在液环泵进口
，与液环泵
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进行耦合数值模拟分析，研宄喷射器与液环泵的匹 配关系.
图8为液环泵与不同尺寸喷射器匹配后数值模 拟质量流量仏随引射入口真空度pvl的变化曲线，从图中可以看出：当液环泵与不同尺寸喷射器组合 时，泵进口吸气量均随引射入口真空度的增大逐渐 减小，一定范围内随着喷射器尺寸的增大吸气量逐 渐增大.带喷射器时液环泵的流量-引射真空度曲 线与无喷射器时的曲线交点右侧为喷射器的有效工 作区，由图可以看出：原型喷射器数值模拟的有效 工作区应在引射真空度大于0.08 M Pa以后，喷射 器B的有效工作区在图示O点以右，当匹配喷射器 A时，液环泵的流量-引射真空度曲线整体位于无 喷射器时曲线的上方，在图示的整个区间喷射器都 是有效工作区域.
图9为液环泵与不同尺寸喷射器匹配后系统效 率/7随pvl的变化曲线.由图9可以看出：液环泵与 原型喷射器匹配在模拟工况范围内效率低于无喷射 器时效率，与喷射器B匹配在O点以右效率稍有提 升，而与喷射器A匹配在模拟工况范围内效率始终 高于无喷射器效率，效率变化趋势和吸气量一一 对应.
为分析液环泵与不同尺寸喷射器匹配对其内部 流场结构的影响，截取喷射器轴面.当液环泵与不同尺寸喷射器匹配时，同一引射真空度(0.072 MPa)
工况下的压力分布见图10.
工作入口 ■■
引射入口
|-8.473
--25.418
I -42.364
I-59.309
|-76.255
■-93.200
泵进口 >3
(a)A型(1.50倍）（b>B型(1.25倍）（c>原型
图10喷射器内压力分布(标单位:kPa)
由图10可以看出在0.072 MPa的引射入口真空
度工况处，喷射器A和B的引射入口真空度大于泵
入口真空度，喷射器处于有效工作状态.原型喷射
器引射入口的真空度低于泵进口真空度，喷射器处
于耗能状态.这与图8和图9性能曲线相一致.半有源电子标签
3结论
a.液环泵喷射器喷嘴出口形成超音速射流，在喷嘴出口附近形成激波串，并不断向下游传播.
马赫数、密度及压力等各流场参数随着激波的传播
呈振荡分布.
b.从喷嘴流出介质的压力低于周围环境压力，处于过膨胀状态，则先在喷嘴出口形成斜激波，随
后激波在边界层的反射及干扰作用下形成反射激波
和分离激波，流动开始分离并形成分离涡，致使流
道堵塞.
c.液环泵进口前串联大气喷射器，在合理的 匹配条件下能提升系统吸入口的真空度及流量，改
善液环泵进口的工作条件.
d.液环泵和不同尺寸喷射器匹配对其性能的 影响明显.一定范围内随着喷射器几何尺寸的增
大，引射真空度逐渐增大，进口吸气量逐渐提升，
喷射器有效工作范围增大.
参考文献
[1]舒亚篮.液环真空泵系统的性能研究[D].广州：华南
理工大学图书馆，2018.
[2]王学谦，黄思，杨国蟒，等.运用两种网格模拟计算
液环泵喷射器流场的对比研究[J].真空，2017, 54(2):
10-13.
杨国蟒，黄思.液环泵喷射器参数化设计及数值模拟
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