新型大倍率空氣放大器性能影響因素的研究

摘 要：為了提高空氣放大器的綜合性能，設(shè)計一種環(huán)狀多段射流縫隙的新型間隔射流式空氣放大器。通過仿真與試驗相結(jié)合的方法，研究單元數(shù)n與閉通比P對卷吸比、輸出流量以及內(nèi)部流動的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著P的增大，間隔射流式空氣放大器的卷吸比增大，而輸出流量逐漸減小；n對卷吸比與輸出流量影響不大，但較小的n會在擴散混合區(qū)內(nèi)引發(fā)邊界層分離，影響流動的穩(wěn)定性；當(dāng)供氣壓力為0.5 MPa時，n=16、P=2的間隔射流式空氣放大器卷吸比為2.55，與環(huán)射式空氣放大器相比，其輸出流量略高，卷吸比提升了5.8%。

關(guān)鍵詞：空氣放大器; 間隔射流; 卷吸比; 結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TH138 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1671-5276（2024）04-0071-05

Research on Influence Factors of New High-magnification Air Amplifier

DONG Dateng， LI Xiaoning， SUN Zhongsheng

（School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Abstract：To improve the comprehensive performance of air amplifier， a novel spaced jet air amplifier with annular multi-segment jet gap is designed. The influence law of the closed-to-open ratio P and the number of cells n on the entrainment ratio， output flow and internal flow is studied by combination of simulation and experiment. The research results show that with the increase of the closed-to-open ratio P， the entrainment ratio of the air amplifier increases， while the output flow gradually decreases. The number of cells n has little effect on the entrainment ratio and output flow， but smaller cell numbers will cause boundary layer separation in the diffusion mixing zone， affecting the stability of the flow. When air supply pressure is 0.5 MPa， the entrainment ratio of the spaced jet air amplifier with n=16 and P=2 is 2.55， the output flow is slightly higher， and the entrainmfent ratio is increased by 5.8% compared with the annular jet air amplifier.

Keywords：air amplifier; spaced jet slit; entrainment ratio; structure

0 引言

空氣放大器是一種利用空壓機產(chǎn)生的高壓氣體為動力源來抽吸外界空氣，最終從出氣口輸出大流量氣體的空氣增效元件。由于其出色的節(jié)能特性與極低的故障率，已逐漸應(yīng)用于家用產(chǎn)品與工業(yè)生產(chǎn)中^[1]。空氣放大器在工業(yè)上主要應(yīng)用于零件冷卻、車間通風(fēng)與表面干燥等需要持續(xù)吹掃的場合。在上述工作中，往往要求空氣放大器能穩(wěn)定輸出足夠大的輸出流量，然而目前高輸出流量空氣放大器的卷吸比比較低。針對這一情況，本文開展了相關(guān)研究，期望能設(shè)計一種新結(jié)構(gòu)，在不降低輸出流量的前提下，提高其卷吸比。

雖然空氣放大器已有較為廣泛的工程實際應(yīng)用，但關(guān)于此類設(shè)備吹掃應(yīng)用方面的文獻(xiàn)仍較少。目前國內(nèi)外研究的主要對象是環(huán)射式空氣放大器，大多數(shù)的研究集中于抽吸與氣力運輸?shù)阮I(lǐng)域，如將空氣放大器應(yīng)用于除塵器以及收集粒子以便于質(zhì)譜分析等^[2]。提高性能的主要方法為調(diào)整射流縫隙寬度、喉管直徑和擴散管角與吸入口直徑等^[3]，但效果都不太好。

本文在已有的環(huán)射式空氣放大器的基礎(chǔ)上，提出一種間隔射流式空氣放大器。利用CFD仿真與試驗相結(jié)合的方法，研究相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對卷吸比及內(nèi)部流場的影響，旨在提高空氣放大器的綜合性能。

1 間隔射流式放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 性能參數(shù)及指標(biāo)

空氣放大器主要性能參數(shù)為供給流量、輸出流量和卷吸比。供給流量指正常工作時，空壓機通過供氣口輸入至空氣放大器中的氣體流量。供給流量越大，說明空氣放大器消耗的能量越高。輸出流量指從空氣放大器出氣口排出氣體的流量，表征空氣放大器的吹掃能力，該值越大，說明空氣放大器吹掃能力越強。卷吸比為輸出流量與供給流量之比，該值越大，說明空氣放大器工作效率越高，節(jié)能效果越好。此外，空氣放大器內(nèi)部流動是否穩(wěn)定、速度分布是否均勻也是重要的性能指標(biāo)。不穩(wěn)定的流場可能會導(dǎo)致空氣放大器無法穩(wěn)定工作并產(chǎn)生巨大的氣動噪聲。

1.2 間隔射流式空氣放大器總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的環(huán)射式空氣放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要為射流縫隙寬度h，喉管直徑d、吸入口直徑D、射流角θ、擴散角α。其工作原理為：高壓氣體（也稱初次流）通過射流縫隙射入，將壓力能轉(zhuǎn)化為動能，并依靠附壁效應(yīng)和兩流體間的黏性摩擦來卷吸流體（也稱二次流），最終一同從出口排出，以達(dá)到放大空氣流量的目的。

環(huán)射式空氣放大器存在結(jié)構(gòu)局限。在傳統(tǒng)的環(huán)射式空氣放大器中，射流縫隙寬度h是由吸入口端蓋、主筒體和擴散管3個零件裝配得到的參數(shù)，不能直接由加工獲得。因此在設(shè)計與加工中需要進(jìn)行復(fù)雜的尺寸鏈和公差計算來保證h的精度，這不僅增加了加工難度，也不利于加工后對h的測量。現(xiàn)有的環(huán)射式空氣放大器還存在性能局限。以某環(huán)射式空氣放大器為例（結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示），在0.5MPa的供氣壓力下，其供給流量為270L/min，輸出流量為920L/min，卷吸比為2.41。通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)雖然能提高卷吸比，但同時也會使輸出流量降低，故其性能無法得到真正提升。因此，為在不降低輸出流量的前提下提高其卷吸比，本文提出了一種將環(huán)形射流結(jié)構(gòu)改為間隔射流結(jié)構(gòu)的思路。

間隔射流式空氣放大器在環(huán)射式的基礎(chǔ)上重新設(shè)計了射流縫隙結(jié)構(gòu)，如圖2所示。與環(huán)射式空氣放大器相比，間隔射流式空氣放大器在吸入口前蓋上增加了若干沿錐面等距分布的凸臺（圖3）。間隔射流縫隙形成機理為：間隔射流式空氣放大器完成裝配后，擴散管僅能與吸入口前蓋上的凸臺接觸并形成一條接觸線，該位置處的縫隙寬度為0（該區(qū)域不能通氣）；凸臺以外的位置則因未與擴散管接觸而形成若干個射流縫隙（該區(qū)域能通氣）。從整體來看，前蓋上的凸臺將原先的環(huán)形射流縫隙轉(zhuǎn)變成了圓周上的多個間隔射流縫隙，此時凸臺的高度就等于射流縫隙寬度h。

這種設(shè)計除了將環(huán)形射流轉(zhuǎn)換為多股射流以增加初次流與二次流接觸面積，從而加快能量交換，有望突破環(huán)射式空氣放大器的性能局限外，還將射流縫隙寬度h由控制吸入口前蓋、主筒體和擴散管尺寸及公差改為控制斜面上的凸臺高度。這不僅簡化設(shè)計，降低制造難度，還解決了環(huán)射式空氣放大器的結(jié)構(gòu)局限。

1.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)定義

與環(huán)射式空氣放大器類似，間隔射流式空氣放大器同樣具有射流縫隙寬度h、喉管直徑d、吸入口直徑D、射流角θ、擴散角α（圖2）。除此之外，其引入了兩個新結(jié)構(gòu)參數(shù)：單元數(shù)n與閉通比P，如圖4所示，具體定義如下。

1）單元數(shù)n：相鄰的凸臺（閉氣部分）與射流縫隙（通氣部分）構(gòu)成的結(jié)構(gòu)稱為一個單元，其在空氣放大器上重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)稱為單元數(shù)n。從結(jié)構(gòu)上來看，一個單元實際代表一個出氣口（射流縫隙），因此單元數(shù)n等于間隔射流式空氣放大器的射流縫隙數(shù)。

2）閉通比P：閉氣角σ_c指單個凸臺在圓周上所占的角度，通氣角σ_o指單個射流縫隙在圓周上所占的角度。閉通比P等于閉氣角σ_c與通氣角σ_o之比，其值表征一個單元內(nèi)射流縫隙所占的比例。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能影響的仿真分析

2.1 數(shù)值計算模型及方法

空氣放大器的工作不涉及外部流場，所以可以取間隔射流式空氣放大器的內(nèi)流道作為計算域。由于h、d、D等結(jié)構(gòu)參數(shù)已在環(huán)射式空氣放大器中有過較多研究，故本文僅對單元數(shù)n與閉通比P進(jìn)行仿真分析。

固定結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。在此基礎(chǔ)上，先對n=4、6、8、10、12、14、16的模型進(jìn)行仿真，根據(jù)性能確定較優(yōu)的單元數(shù)，再對不同的閉通比（P=0.3、0.5、1.0、1.5、2.0）進(jìn)行仿真，最終確定一組性能優(yōu)于環(huán)射式空氣放大器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

利用SolidWorks軟件建立三維模型，為使出入口的流動充分發(fā)展，適當(dāng)延長了吸入口和出氣口的長度，將模型導(dǎo)入Ansys Mesh中劃分網(wǎng)格。由于初次流在射流縫隙處壓力和速度變化劇烈，故需要進(jìn)行相應(yīng)的加密，劃分網(wǎng)格模型如圖5所示。

仿真采用穩(wěn)態(tài)計算，默認(rèn)絕熱，工況溫度為298K，參考壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，工質(zhì)為理想氣體，采用k-ω SST湍流模型計算，入（出）口邊界均采用壓力入（出）口，工作壓力為0.5MPa，壁面絕對光滑。

2.2 單元數(shù)n對性能的影響

1）單元數(shù)n對卷吸比及流量的影響規(guī)律

在0.5MPa的工作壓力下，P=0.3的間隔射流式空氣放大器的卷吸比、輸入流量與輸出流量隨n的變化情況如圖6所示。由圖可知，在n=4～16時，單元數(shù)n對供氣、輸出流量與卷吸比影響不大。

2）單元數(shù)n對內(nèi)流場的影響規(guī)律

圖7為不同單元數(shù)n下包含射流縫隙軸面上的馬赫數(shù)云圖。由圖可知，當(dāng)n=4與n=16時，空氣放大器在喉部附近出現(xiàn)了初次流的二次加速現(xiàn)象。這是由于初次流與二次流在喉部附近相互擠壓并形成斜激波，斜激波打在壁面上，使壁面與中心二次流之間形成了一個喉道，初次流通過喉道后在擴散混合區(qū)中繼續(xù)膨脹加速，隨后這些斜激波在擴散混合區(qū)內(nèi)不斷反射，使初次流平均馬赫數(shù)和總壓逐漸下降^[4]。此外，還注意到n=4時，二次加速區(qū)域的面積更大，馬赫數(shù)更高，且由于強激波而在擴散混合區(qū)壁面上引發(fā)了邊界層分離現(xiàn)象（壁面附近的藍(lán)色區(qū)域）（本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者）。

圖8顯示了n=4、n=16時附壁混合區(qū)的流動情況。在射流縫隙出口附近，單股初次流在圓周上呈現(xiàn)出不同的長度。隨著流動沿著附壁曲面進(jìn)行，從縫隙中射出的多股初次流開始膨脹擴散，并與周圍的二次流進(jìn)行劇烈的能量與動量的交換。與n=4相比，n=16時各股初次流的邊界在流動過程中出現(xiàn)了融合，這使得初次流與二次流能夠充分混合，內(nèi)部速度分布也更加均勻。

綜上所述，不同單元數(shù)n的空氣放大器雖然在卷吸比與輸出流量上沒有太大區(qū)別，但是在內(nèi)部流動上存在較大差距。當(dāng)單元數(shù)較小時，空氣放大器內(nèi)部存在速度劇烈變化的區(qū)域，甚至在擴散室內(nèi)出現(xiàn)了邊界層分離，這些現(xiàn)象不僅會破壞流動的穩(wěn)定性，還會輻射出較強的氣動噪聲。與之相比，單元數(shù)n=16的空氣放大器內(nèi)部速度分布更加均勻，流動更加穩(wěn)定。因此，固定單元數(shù)n=16并進(jìn)行后續(xù)仿真研究。

2.3 閉通比P對性能的影響

1）閉通比P對卷吸比及流量的影響規(guī)律

當(dāng)單元數(shù)n=16時，不同閉通比下間隔射流空氣放大器的卷吸比和流量變化情況如圖9所示。由圖可知閉通比P對卷吸比有較大的影響。當(dāng)P處于0.3～2.0區(qū)間內(nèi)時，卷吸比隨著閉通比的增大而增大，而供氣流量與輸出流量隨著P的增大而減小；當(dāng)P=2時，供給流量為250L/min，輸出流量為1 033L/min，卷吸比達(dá)到最大值3.13。

2）閉通比P對內(nèi)流場的影響規(guī)律

圖10為P=0.3與P=2.0時間隔射流式空氣放大器在軸面上馬赫數(shù)云圖，可知P=0.3與P=2.0時流場都比較穩(wěn)定。但與P=0.3相比，P=2.0時未出現(xiàn)二次加速現(xiàn)象，并且喉部與出口處速度分布更均勻。

圖11為P=0.3與P=2.0時軸向法面上的馬赫數(shù)云圖。隨著初次流向喉部流動，其橫截面積由于射流的擴散作用而逐漸增加。與P=0.3相比，P=2.0時初次流沿徑向的擴散傾向更明顯，且與二次流混合更加均勻。

3 間隔射流式空氣放大器的試驗

3.1 試驗平臺的搭建

為測試間隔射流式空氣放大器樣機的實際工作性能，搭建測試平臺，其氣動回路如圖12所示。

3.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)影響規(guī)律的試驗

1）單元數(shù)n的試驗結(jié)果

加工n=4、8、16的樣件（P=0.3、h=0.13mm、d=12mm、D=27mm、θ=30°、α=3°），在0.5MPa的壓力下，測試試件性能。根據(jù)試驗結(jié)果繪制性能曲線并與仿真結(jié)果對比，如圖13所示。由圖可知試驗值雖低于仿真值，但總體變化趨勢是相符合的。

2）閉通比P的試驗結(jié)果

加工P=0.3、0.5、1.0、1.5、2.0的樣件（n=16、h=0.13mm、d=12mm、D=27mm、θ=30°、α=3°），在0.5MPa的壓力下測試樣件性能。根據(jù)試驗結(jié)果繪制性能曲線并與仿真結(jié)果對比，如圖14所示。由圖可知試驗所得規(guī)律與仿真符合較好。根據(jù)試驗結(jié)果可得，當(dāng)P處于0.3～2.0區(qū)間內(nèi)時，隨著P的增大，空氣放大器的輸出流量逐漸減小，卷吸比逐漸增大。當(dāng)P=2.0時，間隔射流式空氣放大器的卷吸比可達(dá)到2.55，比環(huán)射式空氣放大器提升5.8%，而此時其輸出流量為923L/min，略高于環(huán)射式空氣放大器（920L/min）。

4 結(jié)語

本文提出了一種間隔射流式空氣放大器，通過仿真與試驗相結(jié)合的方法研究了閉通比P與單元數(shù)n對性能以及內(nèi)部流動的影響，得到了以下結(jié)論。

1）單元數(shù)n對卷吸比與供氣、輸出流量影響較小，但對內(nèi)部流場有較大的影響。n較小時會在擴散混合區(qū)內(nèi)引發(fā)邊界層分離現(xiàn)象，影響放大器內(nèi)部流場的穩(wěn)定，因此應(yīng)選擇較大的n。

2）閉通比P與卷吸比呈正相關(guān)。供氣流量與輸出流量隨著閉通比P的增加而減小。P會影響射流擴散，較小的P會使多股初次流出現(xiàn)碰撞和邊界融合現(xiàn)象。

3）經(jīng)試驗測定，當(dāng)供氣壓力為0.5MPa時，n=16、P=2.0的間隔射流式空氣放大器輸出流量為923L/min，卷吸比為2.55，與環(huán)射式空氣放大器相比，輸出流量相當(dāng)，而卷吸比提升了5.8%。

參考文獻(xiàn)：

[1] LI A， ZENG Z， SHARMA A. Aeroacoustic analysis of an air amplifier[C]// AIAA SCITECH2022 Forum.San Diego， CA amp; Virtual：AIAA，2022：1-10.

[2] 胡安鵬. 空氣放大器式除塵風(fēng)機的研究與應(yīng)用[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2015.

[3] LEE J M，JO Y S，KIM S M，et al. Effect of aspect ratios on the performance characteristics of air amplifier[C]//Proceedings of ASME/JSME/KSME 2015 Joint Fluids Engineering Conference，Seoul，South Korea：[s.n.]，2016.

[4] 徐萬武， 王振國. 環(huán)型超聲速空氣引射器零二次流流場數(shù)值研究[J]. 推進(jìn)技術(shù)， 2003， 24（1）： 36-39.

收稿日期：20230113