針對氣動系統中常用的真空發生器樣機，采用有限體積法對真空發生器內部流場進行了數值計算，分析了背壓不同時內部壓力分布和吸入流速改變情況。以此為基礎，測量系統背壓升高時吸入流量變化量，繪制了背壓與吸入流量關系曲線，提出了通過判斷系統背壓而防止逆流現象的方法。在真空發生器系統的設計和應用中，需要在理論計算的基礎上，根據試驗得出系統正常工作的背壓范圍，防止逆流現象，保證系統工作。

　　真空發生設備已成為農業自動化領域中重要的真空壓力源，由其構建的真空發生系統被應用于水果采摘、食品加工等多個領域。在真空發生器系統中，排氣側易形成一定的背壓, 依據管路氣體流動原理，排氣管路幾何尺寸不合理會造成較大的阻抗作用；而消音器等降低音的元件，其內部填充的多孔介質也可能造成系統壓力的升高。在生產實踐中，隨著背壓升高，抽吸流量逐漸減小，直至發生逆向流動。徐海濤等分析了蒸汽噴射真空泵中混合流體壓力對噴射系數的影響，探討了激波產生的位置和流體的流動狀況，楊燕勤等分析大氣噴射器出口壓力與引射流量的關系，預測了背壓的輕微變化會引起噴射器性能的急劇下降。

　　結合氣動系統的特點，需要在理論分析的基礎上進行試驗，為生產實踐提供參考。筆者曾使用一維集中參數模型計算了吸入流量改變時真空發生器出口截面處的壓力變化，但因為無法給出氣體速度分布、壓力分布、能量損失等信息，且不能對超音速射流波系等真實氣體效應進行分析，難以揭示內在機理，存在較大局限性。為了分析出口截面處壓力與吸入流量的關系，本文先從理論角度，采用有限體積法對真空發生器流場進行數值模擬，再從試驗角度，測試背壓升高時的吸入流量。

1、理論分析

　　1.1、氣動真空發生器內部結構

圖1 氣動真空發生器內部結構示意圖

　　為了使分析結果具有一定的普遍性，選取2 組共4 種結構尺寸的真空發生器樣機，其內部結構形狀如圖1 所示。其中，s、n 、t 分別對應LAVAL 噴管入口、喉部以及出口截面，m、c、e 分別為混流管入口、等面積段和出口截面。空氣從v-v 處吸入,從w-w處排出。用l v表示拉瓦爾噴管與混流管的距離。這2 組真空發生器的喉部直徑分別為0.7mm 和1.5mm。在同一組真空發生器中，混流管的內徑亦存在差異，具體尺寸如表1 所示。根據其尺寸的不同，對4 種真空發生器樣機進行了編號，分別為A、B、C、D。

表1 真空發生器內部結構尺寸參數

　　1.2、計算方法和網格劃分

　　采用有限體積法離散控制方程建立真空發生器內部流動模型，網格劃分如圖2 所示。由于吸入流速遠小于供給流速，簡化吸入流側向入口為環向入口，對稱軸為圖1 所示x 軸方向。供氣口和排氣口均采用壓力邊界條件，真空技術網(http://203scouts.com/)假定壁面絕熱。

圖2 計算模型網格圖

　　1.3、背壓改變時流動情況

　　供給流入口壓力設為0.6MPa(本文均指絕對壓力)，溫度293K；吸入流入口壓力101.3kPa , 溫度293K；混合流出口壓力由大氣壓開始逐點增加，并根據回流情況調整回流條件。為了考察混合流出口壓力對吸入流速的影響，可以選取吸入流入口截面并觀察吸入流速。針對A～D 共4 種類型真空發生器計算結果的共同規律，以D 型真空發生器為例進行分析。圖3 反映了吸入流束入口截面各節點處沿y 向的速度。位于內壁面處的節點速度為0，其余節點速度如圖3 所示。

圖3 真空吸入口截面速度分布

　　根據氣動系統的特點，混合流束出口壓力由101.3kPa 遞增，數據點間隔50kPa。圖4 繪制了混合流出口壓力由101.3kPa 增至300kPa 時，混流管內壓力沿x 向分布情況。當混合流束出口壓力為大氣壓101.3kPa 時，混合流膨脹充分，壓力變化平緩。當混合流束出口壓力為101.3kPa ～146.3kPa時，吸入流束入口截面平均速度保持不變，如圖5 所示。這是由于此時激波的影響范圍僅在混流管出口截面附近，對吸入流束尚不產生影響作用，吸入流量保持不變。混合流束出口壓力大于150kPa，混合流束在混合流管出口位置出現激波。隨著混合流束出口壓力增大，激波影響區域擴大，并逐漸向混流管入口方向移動。

圖4 不同背壓下軸向壓力分布

圖5 一定背壓范圍內真空發生器吸入口截面平均速度

　　進一步提高混合流出口壓力，激波影響范圍擴大，混流管內壓力明顯升高，吸入流束的運動速度受到較大的影響。當混合流束出口壓力為150～300kPa, 混流管內激波出現的位置位于入口截面m-m 與出口截面e-e 之間。隨著激波出現位置從截面e-e 向截面m-m 移動，吸入流受影響程度逐步增強，吸入流速逐漸降低。圖6 給出混合流出口壓力分別為101.3kPa 和300kPa 時，吸入流速度矢量圖。圖中可見，混合流出口壓力為101.3kPa 時，速度方向由吸入截面到混流管；混合流出口壓力增至300kPa，由于混流管內流場改變，混流管入口截面附近出現強激波，壓力急劇升高，速度方向改變，空氣不再進入混流管。

圖 6 真空發生器空氣流動方向示意

(a) ps=0.6MPa，pe=101.3kPa正常抽吸速度矢量 (b) ps=0.6MPa，pe=300kPa逆流速度矢量

2、試驗

　　2.1、試驗回路

　　理論分析揭示出氣動真空發生器系統背壓與抽吸性能關系呈現以下特點：背壓升高時，流量特性在較大的背壓范圍內保持不變，該范圍內最大背壓*pe 稱作臨界背壓；背壓繼續升高，抽吸性能急劇惡化，當背壓大于一定值時，吸入流束消失，發生逆向流動，記為peo 稱作逆流背壓。在實際氣動系統中，元件的工作壓力和氣體流動情況受回路節流條件以及氣體狀態參數的影響，為了驗證理論分析結果并為應用提供參考，需要基于氣動真空發生器回路進行測量和分析。實驗裝置如圖7 所示,待測真空發生器的進氣口連接壓縮氣源，排氣口連接節流回路，真空口連接

　　流量計，環境溫度291K，濕度38%。流量測量采用QFS-100 型快速層流式流量計，實現低阻抗雙方向的快速測量。供氣壓力0.6MPa。通過調節排氣側節流閥的流通面積，可設定不同的背壓。由于選定的流量傳感器可以測定正、逆2 個方向的流量，隨著背壓的升高，圖7 中流量計可知實時吸入流量的大小和方向，繪制出背壓與吸入流量關系曲線。

圖7 真空發生器系統背壓與抽吸性能關系測試平臺

1-氣源；2-調壓閥；3-供給側壓力傳感器；4-真空發生器；5-排氣側壓力傳感器；6-節流閥；7-消音器；8-快速層流式流量計

　　2.2、試驗結果

　　根據試驗結果，圖8 表示真空發生器背壓與吸入流量的關系。對試驗4 種型號真空發生器樣機，背壓與吸入流量關系試驗曲線具有共同的特征：背壓小于臨界值 *pe 時，吸入流量為一穩定值；背壓大于*pe 時，隨著背壓的升高，吸入流量逐漸減小。吸入流量為0時的背壓稱為逆流背壓peo。試驗真空發生器的逆流背壓分別介于150kPa~190kPa 之間。由此可見，臨界背壓*pe 和逆流背壓peo是保證系統正常運行的重要參數，根據真空發生器內部流動狀態及吸入流量大小而界定。要使真空發生器產生抽吸作用，系統背壓必須小于逆流背壓peo。要得到最佳抽吸效果，系統背壓必須小于臨界背壓*pe。

圖8 真空發生器系統排氣側壓力不同時抽吸性能測試結果

　　2.3、比較和討論

　　圖9 為D 型真空發生器有限體積法計算結果和試驗結果比較。其中，吸入流量依據吸引流入口截面的平均速度計算，氣體密度近似取為理想氣體在標準狀況下的密度，入口截面為圓形截面，幾何尺寸取表1 所示的測量值。由于背壓的存在，排氣流膨脹不充分，遇到排氣回路節流元件速度增加。假設氣體排出真空發生器后流動等熵，壓力表處靜壓由當地速度和密度計算得出。由于實際氣動系統中排氣側背壓大于大氣壓，所以試驗背壓從110kPa 遞增。比較計算和試驗結果，試驗吸入流量小于計算值，說明試驗中摩擦損失大于理論計算中的取值。受真空發生器內部流道表面機械加工精度、流量計流阻等因素影響，以及實際系統中管道形狀、節流元件構造以及環境參數等諸多因素制約，試驗中臨界背壓*pe 和逆流背壓Peo均小于計算結果，偏差量為10%左右。因此，在設計氣動真空發生器系統時，需要在理論分析的基礎上進行試驗，通過判斷真空發生器系統背壓而防止逆流現象。

圖9 計算與試驗結果的比較

3、結論

　　(1) 臨界背壓*pe 和逆流背壓peo是保證系統正常運行的重要參數，根據真空發生器內部流動狀態及吸入流量大小而界定。

　　(2) 要使真空發生器產生抽吸作用，系統背壓必須小于逆流背壓peo。要得到最佳抽吸效果，系統背壓必須小于臨界背壓*pe。因此，判定某型真空發生器在一定供給壓力條件下*pe 和peo對系統設計至關重要。

　　(3) 設計真空發生器系統時，先通過理論模型預估臨界背壓和逆流背壓，并進行試驗驗證，能有效防止逆流現象發生。