史 諾，魯劍嘯，劉 瓊

（1.楊凌職業(yè)技術學院機電工程分院，陜西 楊凌712100；2.延安大學化學與化工學院，陜西 延安716000；3.楊凌職業(yè)技術學院信息工程分院，陜西 楊凌712100）

0 引言

空氣放大器是一種采用壓縮空氣作為動力的氣動元件，主要用于通風領域，可有效驅散或收集工業(yè)的廢氣、煙霧及細小顆粒，顯著改善惡劣的生產環(huán)境。除此之外，由于空氣放大器良好的空氣引射能力，引流了大量環(huán)境空氣，在電子零部件、焊接件和熱封件的冷卻降溫中也得到了良好應用。

1 工作原理

壓縮空氣經進口流入環(huán)形腔后，從噴嘴中高速噴射出來，由于傾斜側壁與射流方向中心線呈一定的角度，在射流附壁效應的作用下，這股初級氣流附著在側壁的表面流動，于是在空腔中心形成低壓區(qū)，常壓空氣從進風口被大量吸入后與初級氣流匯合形成高速、高容量的氣流從出風口流出?？諝夥糯笃鲀炔苛鲌鰪碗s，根據射流理論，有限空間的固壁限制了射流的擴散和卷吸，壁面的干涉導致了射流兩側的壓力損失不平衡，射流發(fā)生偏轉，形成附壁現象［1－2］。壓縮空氣噴嘴處的流道結構，關系著整個空氣放大器的工作效率和有效性，噴嘴寬度、側壁傾角的設計及選取直接影響到射流附壁效應，從而影響整體的出風量［3］。

空氣放大器一般采用環(huán)形噴嘴，是產生壓力損失最主要的位置，可形成穩(wěn)定的射流［4－5］。噴嘴的寬度是基準參數，按照其是否可調節(jié)，空氣放大器分為固定式與可調式。噴嘴寬度應根據射流基礎理論與實驗綜合確定，一般情況下，寬度的取值范圍為0.05～0.1mm。側壁傾角指的是傾斜側壁與空氣放大器中心軸線之間的夾角，它直接影響到射流的流動狀態(tài)和壓力梯度。側壁傾角的設計原則是既要有利于流體的徑向流動，又要減少能量損失，這樣才能避免射流與壁面脫離，根據自由射流理論及設計經驗，側壁傾角的取值范圍為10°～12°。

2 數值模擬過程

2.1 模型建立及網格劃分

選取市面上某品牌的空氣放大器進行逆向建模，在Pro／E軟件中建立殼體模型，保存為STP格式，導入GAMBIT中進行處理成為流體模型。由于模型完全對稱，為了減小計算量，采用1／2模型進行分析。網格的質量對于仿真結果的影響很大，由于流場結構復雜，無法生成統一的貼體結構網格，所以采用分塊技術，將計算區(qū)域分為壓縮空氣區(qū)域、常壓空氣區(qū)域以及射流抽吸區(qū)域，采用T-Grid類型進行網格劃分，在比較規(guī)則的幾何體內分別生成結構網格［6］。壓縮空氣區(qū)域、常壓空氣區(qū)域采用Hex／Wedge網格形式，射流抽吸區(qū)域采用Tet／Hybird網格形式，網格間距根據模型大小與計算機性能綜合決定，設置為0.5，幾何模型劃分網格的結果如圖1所示。

圖1 幾何模型網格劃分

2.2 邊界條件

對于空氣放大器內部流場的數值模擬，邊界條件包括2個進口和1個出口。壓縮空氣進口設置為質量流量進口，假設壓縮空氣的絕對壓力為0.2 MPa，體積流量為0.4m3／min，換算可得壓縮空氣的質量流量為0.008kg／s。進風口設置為壓力進口，進口壓力為101 325Pa，假設進口流速為35m／s，則動壓為735Pa，靜壓為100 590Pa。出風口設置為壓力出口，出口壓力設置為常壓101 325Pa。耦合面默認為INTERIOR，其余表面及靜止的面默認為WALL。

2.3 數學模型

忽略流體浮力的影響，假設空氣放大器的內部流場是穩(wěn)定的軸對稱流動，環(huán)形噴嘴出口截面上工作流體和引射流體互不混合，但緊密流動［7］。流體的流動遵循質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。由于射流場屬于湍流流場，利用微分方程直接求解射流場很難實現，需要附加引入湍流運輸方程，采用標準的k-ε模型，因此控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍動能k方程和耗散率ε方程。這幾個方程的通用形式為［8］：

φ為通用變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。

3 計算及結果分析

設置運算精度為10×10－8，迭代最大次數為3 000次，設置完畢后進行求解。全程監(jiān)測迭代過程，求解完畢后進行后處理得到可視化結果，以獲得對流場狀態(tài)的直觀認識。

分析空氣放大器內部的速度分布（圖2）及湍流強度分布（圖3），可以得出以下幾點結論：

a.在常壓空氣區(qū)域及射流抽吸區(qū)域內，流場呈對稱分布。在射流抽吸區(qū)域，可明顯看到附壁效應。

b.在整個流場中，噴嘴處的流體流速是最大的，而且附壁面上的射流速度相對于周圍流體大很多，由Bernoulli方程可得，附壁面上的射流速度大則壓強小，而周圍流體速度小則壓強大，壓差使得流體附壁。從噴嘴沿著出風口方向，隨著附壁面上射流速度的降低，射流也逐漸的脫離壁面，導致空氣放大器的抽吸能力不斷下降，具體表現為流場中心區(qū)域被引射的流體速度不斷降低。

c.湍流可使附壁層的厚度增加，不容易發(fā)生流體脫離壁面的現象［9］。從湍流強度的分布圖看出，噴嘴處是湍流強度最大的位置，隨著湍流強度的減弱，越來越不利于射流附壁，附壁層逐漸脫離壁面。

進風口質量流量和出風口質量流量分別為0.103 101 80kg／s，0.111 101 806 9kg／s，可以得出采用上述條件下的壓縮空氣作為動力源，空氣放大器的引射比為1∶12.89。而此型號的空氣放大器的設計引射比為1∶12，數值模擬計算的誤差為7.42%，在工程實際中此誤差是可接受，說明利用FLUENT進行空氣放大器的流場分析是可行的。

圖2 速度分布

圖3 湍流強度分布

4 結束語

空氣放大器的內部流場較復雜，現有的理論解釋不盡完善，利用FLUENT軟件模擬了空氣放大器的射流附壁效應，直觀反映出流體的流動情況，可用來指導空氣放大器的設計工作，對于空氣放大器的推廣應用具有一定的促進作用。

在一定的工況下，如果需要提高引射比，增強空氣放大器的工作效率，可以將噴嘴寬度、側壁傾角作為試驗因素，選取適當的水平，構建旋轉正交試驗，按照上述的數值模擬方法，得出這2個因素關于引射比的單因素效應及因素間的交互效應，進而得到結構參數的最優(yōu)組合。

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