液态金属的超强引射效应

较高速度的流体射流将另一静止或低速的流体吸入并相互混合，然后一起流动，这一现象称作引射效应。引射效应是一种在生活、工业和航空航天等领域中广泛应用的流体现象［9］。从家用燃气灶，到工业引射真空泵，再到航天发动机的助推器，都包含着结构各异的引射部件。从结构复杂程度和功能上来说，引射器无疑是流体工程领域的一项伟大发明。引射器结构简单，内部无需任何机械运动部件。如图7.14所示，引射器的基本结构通常包括工作喷嘴（nozzle）、吸气室（suction chamber）、混合段（mixing section）和扩压段（diffuser）等流通截面积各不相同的几个部分。以液体为工作流体的引射器是引射器的一大类，其工作原理基于流体力学的基本方程——伯努利方程，在不考虑流动损失的情况下，伯努利方程具有以下形式：

图7.14　引射器的基本结构以及引射器内部流体压力和速度的变化情况示意［9］

其中，ρ为流体密度，g为重力加速度，V、h和P分别代表流体的速度、参考高度以及静压，小标1和2代表流体流动时不同的位置。方程（7.1）左右两边的三项分别代表了流体的动能、重力势能和压力势能，等号意味着流体在流动过程中机械能守恒。流体流经小流通截面流道时，由于流动质量守恒，流体的流速将增大。在高度变化不大的情况下，由伯努利方程可知流体的静压是减小的。因此流体在较宽流道处具有较小的流速和较大的静压，而在较窄的流道处具有较大的流速和较小的静压。对于引射器来说，当流体从喷嘴喷射入引射腔时，流体的速度达到最大，压力降至最低，形成真空。在此真空吸力的作用下，使得工作流体（primary fluid）能够将被引射流体（secondary fluid）吸入引射腔，并在混合室中进行混合和能量交换。在扩压器中，再一次进行动能和势能的转化，将混合后气体的一部分动能转换为压力势能。可见，通过引射器内流道的变化，便可以实现被引射流体的压缩、输送和两种流体的混合等多种功能。

仔细审视伯努利方程，可以发现，引射器的工作参数与工作流体的密度有着密切的关系。密度越大的工作流体，相同速度变化所带来的压力变化也越大，也即引射器具有更强的真空吸力。因此从原理上来说，使用高密度的流体可以提高引射器的工作性能。在液体引射器中普遍使用的工质是水。将无机盐溶于水通常可以得到密度更高的溶液。对于追求极致的人来说，在寻找更高密度的流体时往往会想到液态金属这一特殊的流体［9］。水银作为一种室温下的液态金属流体具有超高的密度（13.55 g/cm3）。但是我们这里所涉及的是另一种室温下的液态金属，一种以镓和铟（和/或锡等其他金属）为主要成分的合金材料。这种液态合金的密度大约为6.3 g/cm3（金属组分不同），和水银一样在室温条件下具有很好的流动性。但是这种液态金属无毒，比水银更具有应用优势。同时，虽然镓铟液态金属的密度仅为水银的1/2左右，但是其引射性能要优于水银［9］。(www.xing528.com)

引射器的引射真空，即被引射流体流量为零时吸气室内的真空压力，是衡量其工作性能的主要指标。图7.15中对比了水（密度1 g/cm3）、碘化钠溶液（密度1.5 g/cm3）、镓铟合金（密度6.3 g/cm3）三种不同密度流体的引射性能［9］。可以看出，三种不同液体作为引射器工作流体时能够获得的极限引射真空具有很大差异。对比水和碘化钠溶液可以看出，在相同的输入功率下，碘化钠溶液驱动的引射器所获得的极限引射真空压力值要明显小于以水为工作流体的运行工况。而以液态金属为工作流体的运行工况与常规水和水溶液的运行工况相比，引射器的极限引射真空具有量级上的区别。这说明了使用高密度流体可以提高引射器的性能，而使用镓铟液态金属能够获得优于常规流体的超强引射效应。

图7.15　相同驱动泵功下不同工作流体运行工况引射器的引射真空［9］

引射器是依靠高速流体产生的真空吸力来工作的，在高引射真空下，流体自身的蒸汽压会对其性能产生明显的影响。流体的蒸汽压与温度存在对应关系，因此这一影响可以从引射真空和温度的变化关系中体现出来［10］。从图7.16可以看出，在其他条件不变、温度升高时，以水和碘化钠溶液为工作流体的运行工况的引射真空压力逐渐升高，这与温度升高时液体饱和压力上升相吻合。同时可以看出，以镓铟液态金属为工作流体的运行工况的引射真空基本不受温度升高的影响，其原因在于这类液态金属具有极低的蒸汽压（＜10-6 Pa，500℃），同时也说明了镓铟液态金属在引射性能上相较于水银的优势。水银虽然具有超高的密度，但是由于水银蒸汽压较高（1.7×10-1 Pa，20℃），所以不利于高引射真空的获得。

图7.16　温度对不同工作流体引射真空的影响［10］