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，已成为该领域的研究热点．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、网格类型和湍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[7]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泵前级设备，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究．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[20-24]，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，找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R=211.5 mm；叶轮半径r2=183 mm；轮毂半径r1=91.5 mm；叶片宽度b=130 mm；转速n=1 450 r/min；偏心距e=23 mm．喷射器基本几何参数为：喷嘴喉径DD1=4.4 mm；喷嘴入口直径DD2=16 mm；喷嘴出口直径DD3=8.8 mm；混合室入口直径DD4=24 mm；混合室喉径DD5=18 mm；扩压室出口直径DD6=40 mm；扩压室长度L=210 mm．10.13245/j.hust.210402.F001图1液环泵喷射器系统二维结构及三维造型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—液环泵进气端；12—引射入口．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4×106．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．10.13245/j.hust.210402.F002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(重整化群的数学方法)k-ε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△t=1×10-5 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 m3/h时性能最佳，选择在此补液量下进行试验研究．10.13245/j.hust.210402.F003图3液环泵喷射器试验系统图1—水槽；2—变频柜；3—孔板流量计；4—供水泵；5—电机；6—液环泵；7—气液分离罐；8—喷射器：9—流量调节阀；10—涡街流量计；11—真空表；12—真空表；13—闸阀；14—压力调节阀；15—压力调节阀；16—排水管；17—进水管．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，通过调节阀门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．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，得到了泵进口真空度pv随吸气量QV的变化曲线如图4所示．10.13245/j.hust.210402.F004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K点相交，当引射入口真空度高于0.072 MPa(K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，当泵进口流量相同时，喷射器引射入口的真空度提升了，交点K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(K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．10.13245/j.hust.210402.F005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．10.13245/j.hust.210402.F006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，喷嘴出口射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．10.13245/j.hust.210402.F007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K点以左)，大部分工况下(K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，原型喷射器成了一个阻力部件，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，与液环泵进行耦合数值模拟分析，研究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Qm随引射入口真空度pv1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 MPa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．10.13245/j.hust.210402.F008图8不同尺寸喷射器下的系统性能曲线图9为液环泵与不同尺寸喷射器匹配后系统效率η随pv1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．10.13245/j.hust.210402.F009图9不同尺寸喷射器下的系统效率曲线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10．10.13245/j.hust.210402.F010图10喷射器内压力分布(色标单位：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．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．