史 诺，鲁剑啸，刘 琼

（1.杨凌职业技术学院机电工程分院，陕西 杨凌712100；2.延安大学化学与化工学院，陕西 延安716000；3.杨凌职业技术学院信息工程分院，陕西 杨凌712100）

0 引言

空气放大器是一种采用压缩空气作为动力的气动元件，主要用于通风领域，可有效驱散或收集工业的废气、烟雾及细小颗粒，显著改善恶劣的生产环境。除此之外，由于空气放大器良好的空气引射能力，引流了大量环境空气，在电子零部件、焊接件和热封件的冷却降温中也得到了良好应用。

1 工作原理

压缩空气经进口流入环形腔后，从喷嘴中高速喷射出来，由于倾斜侧壁与射流方向中心线呈一定的角度，在射流附壁效应的作用下，这股初级气流附着在侧壁的表面流动，于是在空腔中心形成低压区，常压空气从进风口被大量吸入后与初级气流汇合形成高速、高容量的气流从出风口流出。空气放大器内部流场复杂，根据射流理论，有限空间的固壁限制了射流的扩散和卷吸，壁面的干涉导致了射流两侧的压力损失不平衡，射流发生偏转，形成附壁现象［1－2］。压缩空气喷嘴处的流道结构，关系着整个空气放大器的工作效率和有效性，喷嘴宽度、侧壁倾角的设计及选取直接影响到射流附壁效应，从而影响整体的出风量［3］。

空气放大器一般采用环形喷嘴，是产生压力损失最主要的位置，可形成稳定的射流［4－5］。喷嘴的宽度是基准参数，按照其是否可调节，空气放大器分为固定式与可调式。喷嘴宽度应根据射流基础理论与实验综合确定，一般情况下，宽度的取值范围为0.05～0.1mm。侧壁倾角指的是倾斜侧壁与空气放大器中心轴线之间的夹角，它直接影响到射流的流动状态和压力梯度。侧壁倾角的设计原则是既要有利于流体的径向流动，又要减少能量损失，这样才能避免射流与壁面脱离，根据自由射流理论及设计经验，侧壁倾角的取值范围为10°～12°。

2 数值模拟过程

2.1 模型建立及网格划分

选取市面上某品牌的空气放大器进行逆向建模，在Pro／E软件中建立壳体模型，保存为STP格式，导入GAMBIT中进行处理成为流体模型。由于模型完全对称，为了减小计算量，采用1／2模型进行分析。网格的质量对于仿真结果的影响很大，由于流场结构复杂，无法生成统一的贴体结构网格，所以采用分块技术，将计算区域分为压缩空气区域、常压空气区域以及射流抽吸区域，采用T-Grid类型进行网格划分，在比较规则的几何体内分别生成结构网格［6］。压缩空气区域、常压空气区域采用Hex／Wedge网格形式，射流抽吸区域采用Tet／Hybird网格形式，网格间距根据模型大小与计算机性能综合决定，设置为0.5，几何模型划分网格的结果如图1所示。

图1 几何模型网格划分

2.2 边界条件

对于空气放大器内部流场的数值模拟，边界条件包括2个进口和1个出口。压缩空气进口设置为质量流量进口，假设压缩空气的绝对压力为0.2 MPa，体积流量为0.4m3／min，换算可得压缩空气的质量流量为0.008kg／s。进风口设置为压力进口，进口压力为101 325Pa，假设进口流速为35m／s，则动压为735Pa，静压为100 590Pa。出风口设置为压力出口，出口压力设置为常压101 325Pa。耦合面默认为INTERIOR，其余表面及静止的面默认为WALL。

2.3 数学模型

忽略流体浮力的影响，假设空气放大器的内部流场是稳定的轴对称流动，环形喷嘴出口截面上工作流体和引射流体互不混合，但紧密流动［7］。流体的流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由于射流场属于湍流流场，利用微分方程直接求解射流场很难实现，需要附加引入湍流运输方程，采用标准的k-ε模型，因此控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能k方程和耗散率ε方程。这几个方程的通用形式为［8］：

φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

3 计算及结果分析

设置运算精度为10×10－8，迭代最大次数为3 000次，设置完毕后进行求解。全程监测迭代过程，求解完毕后进行后处理得到可视化结果，以获得对流场状态的直观认识。

分析空气放大器内部的速度分布（图2）及湍流强度分布（图3），可以得出以下几点结论：

a.在常压空气区域及射流抽吸区域内，流场呈对称分布。在射流抽吸区域，可明显看到附壁效应。

b.在整个流场中，喷嘴处的流体流速是最大的，而且附壁面上的射流速度相对于周围流体大很多，由Bernoulli方程可得，附壁面上的射流速度大则压强小，而周围流体速度小则压强大，压差使得流体附壁。从喷嘴沿着出风口方向，随着附壁面上射流速度的降低，射流也逐渐的脱离壁面，导致空气放大器的抽吸能力不断下降，具体表现为流场中心区域被引射的流体速度不断降低。

c.湍流可使附壁层的厚度增加，不容易发生流体脱离壁面的现象［9］。从湍流强度的分布图看出，喷嘴处是湍流强度最大的位置，随着湍流强度的减弱，越来越不利于射流附壁，附壁层逐渐脱离壁面。

进风口质量流量和出风口质量流量分别为0.103 101 80kg／s，0.111 101 806 9kg／s，可以得出采用上述条件下的压缩空气作为动力源，空气放大器的引射比为1∶12.89。而此型号的空气放大器的设计引射比为1∶12，数值模拟计算的误差为7.42%，在工程实际中此误差是可接受，说明利用FLUENT进行空气放大器的流场分析是可行的。

图2 速度分布

图3 湍流强度分布

4 结束语

空气放大器的内部流场较复杂，现有的理论解释不尽完善，利用FLUENT软件模拟了空气放大器的射流附壁效应，直观反映出流体的流动情况，可用来指导空气放大器的设计工作，对于空气放大器的推广应用具有一定的促进作用。

在一定的工况下，如果需要提高引射比，增强空气放大器的工作效率，可以将喷嘴宽度、侧壁倾角作为试验因素，选取适当的水平，构建旋转正交试验，按照上述的数值模拟方法，得出这2个因素关于引射比的单因素效应及因素间的交互效应，进而得到结构参数的最优组合。

［1］ 杨永印，孙伟良，徐金超，等.附壁式双稳射流元件的设计［J］.液压与气动，2010（2）：62-64.

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