任建波，李 强，苗 超，胥建美，张令品，谢春刚

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

低温多效蒸馏海水淡化系统传热管内不凝结气体的质量含量是影响换热系数的主要因素，当蒸汽中含有不凝气体时，管内热阻增加，传热系数明显下降[1-3]。蒸汽喷射真空泵以水蒸汽为工作介质，抽吸汇集于海水淡化设备首效蒸汽侧末端和冷凝器中的不凝气体，建立各效效间合理压降，维持设备正常运行压力，保持设备的工作效率和出力。

蒸汽喷射真空泵虽然结构简单、运行可靠，但内部结构参数微小的变化会对其性能产生极大影响，为提高蒸汽喷射真空泵性能，国内外研究者在结构设计、结构优化等方面开展了大量的研究工作。Kumar[4-5]通过大量试验研究给出了喷嘴出口到混合室喉道的距离与喷嘴性能的关系曲线。Rahman等[6]通过实验研究给出了真空泵引射系数与工作蒸汽压力之间的关系，得出质量流量系数越小，获得真空的能力越强，质量流量比越大的结论。然而，大多数研究仅针对固定结构的蒸汽喷射真空泵或围绕操作参数对蒸汽喷射真空泵性能的影响开展研究，对于内部结构变化对蒸汽喷射真空泵性能影响的研究较少。基于此，文章通过数值模拟的方法研究了内部结构参数对蒸汽喷射真空泵性能的影响，以期为蒸汽喷射真空泵参数设计提供一种有效的方法。

1 数学模型建立

1.1 蒸汽喷射真空泵几何模型

蒸汽喷射真空泵主要包括喷嘴、吸入室、混合室和扩压室。高温高压的工作蒸汽在喷嘴内部发生绝热膨胀，速度不断增大、压力不断减小，在喷嘴出口处达到超音速，形成一个相对低压区；由于喷嘴出口处该低压区域的剪切作用，引射气体进入吸入室，与工作蒸汽在混合室内进行混合；在经过等压以及等面积混合室的复杂混合后，达到同一速度；混合气体速度在扩压室内不断减小，压力不断升高，在扩压室出口排出。文章研究的蒸汽喷射真空泵结构如图1，主要结构尺寸如表1。

图1 蒸汽喷射真空泵结构图Fig.1 The structure diagram of steam jet vacuum pump

表1 蒸汽喷射真空泵关键结构参数Tab.1 Detailed geometric dimensions of steam jet vacuum pump

1.2 网格划分

根据蒸汽喷射真空泵模型的特点，对其进行非结构化网格划分。此外，对近壁网格进行了细化，网格总数约为180 000，平均网格质量在0.25以上，80%的元素网格质量在0.35以上。因此，网格质量足以进行数值模拟分析。图2为蒸汽喷射真空泵模型的网格划分。

图2 蒸汽喷射真空泵网格划分Fig.2 The grid system of steam jet vacuum pump

1.3 边界条件

蒸汽喷射真空泵的工作蒸汽进口、引射气体进口，模拟时均采用压力入口边界。工作蒸汽进口压力参数设置为4.36×105Pa，给定滞止压力、温度及适当的湍流条件；混合流体出口，采用压力出口边界，给定静压及适当的回流条件。引射气体进口边界采用质量流入口，质量流量为5.5×10-3kg/s。固体壁面采用无滑移、无渗流、绝热边界。流体介质的密度按理想气体计算。

1.4 收敛依据

(1)各变量(速度、压力、湍流动能等)的残差达到10-4以下；

(2)质量流量稳定，即引射系数u数值稳定。

2 结果与讨论

2.1 喷嘴出口位置的影响

喷嘴出口位置(NXP)被定义为喷嘴出口与等压混合室入口之间的距离。喷嘴出口位置决定工作蒸汽与引射气体混合所在位置，当工况变化时调整喷嘴出口位置能够有效提升蒸汽喷射真空泵的性能。

为了研究NXP对真空泵性能的影响，对NXP为5.65 mm、11.30 mm、16.95 mm、22.60 mm、28.25 mm和33.90 mm的6种模式进行了模拟。表2列出了NXP对真空泵质量流量比的影响，从表2看出，随着NXP的增大，质量流量比逐渐增大，直到达到最大值，然后开始减小(图3)。从图3看出真空泵效率与NXP的关系，随着NXP的增加真空泵的效率先增加后降低，当NXP为16.95 mm时真空泵效率达到最大值，最大效率为0.5。

表2 喷嘴出位置与质量流量比之间的关系Tab.2 The relationship between NXP and mass flow rate ratio

图3 喷嘴出位置与效率之间的关系Fig.3 The efficiency of steam jet vacuum pump with NXP

为了进一步分析NXP与真空泵效率之间的关系，对压力分布进行了研究(图4)。从图4可以看出，当NXP为16.95 mm时，真空泵在喷嘴出口的最小压力为1.8×104Pa，引射能力最强。当NXP小于最优值时，两种气体在吸入室内无法完全交换动能，因此在混合室内流速相对较低。相比之下，当NXP大于最优值时，工作蒸汽速度在进入混合室前明显下降，导致大量动能损失。因此，真空泵效率降低。

图4 蒸汽喷射真空泵轴线压力分布Fig.4 The pressure distribution along the axis of steam jet vacuum pump with NXP

2.2 面积比的影响

面积比(AR)是指蒸汽喷射真空泵喉部与喷嘴喉部之间的面积比，是设计真空泵的核心参数，对于真空泵内部超音速流体的马赫数分布具有重要影响。采用AR分别为1.96、3.07、4.45、6.05和7.92的五种模式，研究AR与真空泵性能之间的关系。从表3可以看出AR对真空泵效率的影响。随着AR的增大，真空泵效率在一定范围内先增大后迅速减小，当AR为4.45时存在一个最优值。

表3 面积比与效率之间的关系Tab.3 The relationships between area ratio and efficiency

为了进一步分析AR对真空泵性能的影响，得出了压力和速度分布。图5为不同面积比下的流体压力分布。发现当AR为1.96时，由于混合室内压力持续下降，真空泵无法工作。当AR为4.45时，喷嘴出口压力最小，此时真空泵的引射能力最强。

图5 真空泵不同面积下的压力分布Fig.5 The pressure distribution along the steam jet vacuum pump axis with AR

3 结论

1)随着NXP的增大，质量流量比和效率逐渐增大，直到达到最大值，然后开始减小，当NXP为16.95 mm时，真空泵在喷嘴出口的最小压力为1.8×105Pa，引射能力最强、效率最高，此时真空泵效率为0.5。当NXP小于最优值时，两种气体在吸入室内无法完全交换动能；当NXP大于最优值时，工作蒸汽动能损失较大。

2)随着AR的增大，真空泵效率在一定范围内先增大后迅速减小，当AR为4.45时存在一个最优值，真空泵效率为0.5。