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研究生: 陳毅
Yi Chen
論文名稱: 一段式噴射型真空產生器之模擬分析與性能優化
Flow Field Simulation for Improving Performance of Single-Stage Vacuum Ejector
指導教授: 林顯群
Sheam-Chyun Lin
口試委員: 林顯群
Sheam-Chyun Lin
陳呈芳
Cheng-Fang Chen
楊旭光
Shiu-Kuang Yang
周永泰
Yung-Tai Chou
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 296
中文關鍵詞: :一段式真空產生器穩態流場模擬漸縮漸擴噴嘴能源效率因子無因次分析公式
外文關鍵詞: Single-Stage Vacuum Ejector, Converging-Divergent Nozzle, Steady Flow Simulation, Energy Efficiency Factor, Dimensionless Relations for Ejector Performance
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  • 摘 要
    隨著工業的發展與自動化的進步,真空技術的重要性日益增加,而各類真空幫浦中,噴射型真空產生器有著許多優點,因為其體積小、機構簡單、不易損毀、及產生真空方便,所以廣泛應用於自動化運送物品中;常見的運用在吸取外界空氣,或者接上吸盤吸取物件,特別適合於半導體製程、面板搬運、玻璃製造、家電製造等。本研究目標係針對噴射型真空產生器中,基礎的一段式真空產生器做性能優化,首先建立實驗設施以量測其性能參數,主要有空氣消耗量、最高吸入量、最大真空度這三項;接著運用CFD模擬來評估不同操作狀態下,其內部流場與壓力分佈的型態,並將模擬與實驗結果比對確認模擬之可信度。
    在性能提升部分則藉助重要幾何參數的分析,透過改變主要噴嘴與混合排氣段之配合距離和混合排氣段直徑,並透過觀察其計算的流場與壓力分佈,評比分析出性能較佳的組合設計與噴流型態;其次依使用需求特性:高真空度和高吸入量,同時仔細考量對應的能源效率因子,分別選定合適的真空產生器之設計參數組合。最後藉由無因次分析方法針對一階段的真空產生器做推導,找出其對應的無因次函數式;接著將上述模擬所得數據取代實驗,據以找出實際之無因次關係式。此無因次關係式可用設計出不同尺寸的真空產生器,並可輕易計算出其預估的真空度、吸入量與能源效率,足以作為真空產生器設計之重要且易用的工具。


    With the development of industry and the advancement of automation, the application of vacuum technology becomes more important to attract researcher’s attention. Among various vacuum pumps, the vacuum ejector owns many advantages, such as small size, simple structure, high durability, and easy to generate vacuum, so it is widely used in automated transportation and becomes the target of this thesis. The goal of this research is the performance enhancement of single-stage vacuum ejector, which can serve as the foundation for other complicate vacuum generators. An integrated effort of numerical, experimental, and dimensional-analysis technologies is constructed to attain several optimized ejector designs and an easy-to-use dimensional formular for industry engineers.
    At first, the experimental facility is setup to measure the performance parameters (air consumption, maximum suction volume, and maximum vacuum pressure) of a commercial vacuum generator, Then, these test results are used to successfully validate the simulation outcome and CFD tool, which is utilized for executing the parametric study on key design variables of vacuum ejector. The variables considered here include gap between the main nozzle exit and the exhaust pipeline and the diameter of pipe. Thereafter, several appropriate parameter combinations of ejectors are selected to generate for fulfilling the demand of high vacuum pressure and large suction flow rate, respectively. Moreover, dimensional analysis is carried out on the vacuum generator to yield the corresponding nondimensional parameters and functional relations of suction flow rate and vacuum pressure. With the aids of CFD results, the actual function forms for these dimensional relations are decided with an accurate deviation. In conclusion, the accomplishment of this work provides a systematic design scheme for constructing the optimized vacuum generator to meet particular requirement in the practical applications. Also, the nondimensional formular offers a ready-to-use design tool for creating different sizes ejectors in a convenient manner.

    摘 要 I Abstract III 致 謝 V 目 錄 VI 圖索引 XI 表索引 XVIII 符號索引 XX 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 10 1.3 研究動機與流程 18 第二章 噴射型真空產生器與相關理論介紹 25 2.1 真空產生器之介紹 25 2.2 氣壓系統之控制閥簡介 34 2.2.1 方向控制閥 34 2.2.2 流量控制閥 40 2.3 漸縮漸擴噴嘴之理論簡介 42 2.3.1 運作原理 42 2.3.2 等熵流理論 46 2.3.3 壓差對噴嘴流體之影響 51 第三章 物理模型 59 3.1 噴射型真空產生器模型介紹 62 3.2 數值模型之建立 68 3.3 網格建立 72 第四章 數值方法 79 4.1 統御方程式與紊流模型 79 4.1.1 統御方程式 80 4.1.2 紊流模型 82 4.1.3 紊流模型 k-ɛ Model 83 4.1.4 紊流模型SST k-ω Model 85 4.2 數值計算方法 92 4.2.1 數值求解流程 92 4.2.2 離散化方程式 93 4.2.3 上風差分法 95 4.2.4 速度與壓力耦合 96 第五章 原始真空產生器之模擬與實測分析 100 5.1 常開模式模擬分析 101 5.1.1 邊界條件設定與穩態模擬性能參數探討 101 5.1.2 速度分佈圖和向量圖之分析 105 5.1.3 常開模式馬赫數分佈圖和震波簡介 112 5.2 常閉模式模擬分析 116 5.2.1 邊界條件設定和性能參數分析 118 5.2.2 速度分佈圖和向量圖之分析 119 5.3 常開與常閉模式之穩態模擬的性能參數分析 130 5.4 噴射型真空產生器實測設備與規劃 132 5.4.1 真空產生器實測設備 133 5.4.2 真空產生器實測規劃 139 5.4.1 原始真空產生器之實測與模擬比較 144 5.5 分析問題流場與提出改善方案 144 第六章 真空產生器的幾何參數分析與性能優化 147 6.1 真空產生器幾何參數之影響探討 149 6.2 主要噴嘴與混合排氣段配合距離之影響探討 153 6.2.1 常開模式之穩態流場分析 153 6.2.2 常閉模式之穩態流場分析 165 6.2.3 配合距離對性能參數影響探討 184 6.3 混合排氣段直徑之影響探討 187 6.3.1 常開模式之穩態流場分析 187 6.3.2 常閉模式穩態流場分析 209 6.3.3 混合排氣段直徑對性能參數影響探討 224 第七章 無因次分析 232 7.1 白金漢π定理與無因次參數 232 7.2 無因次參數之函數簡化 234 7.3 無因次關係式之決定 236 7.3.1 配合距離無因次關係式之決定 236 7.3.2 混合段直徑無因次關係式之決定 237 第八章 結論與建議 243 8.1 結論 243 8.1.1 常開模式之參數分析結果 244 8.1.2 常閉模式之參數分析結果 250 8.2 一段式真空產生器之優化模型的性能評比 252 8.3 建議 255 參考文獻 262

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    無法下載圖示 全文公開日期 2026/02/18 (校內網路)
    全文公開日期 2031/02/18 (校外網路)
    全文公開日期 2031/02/18 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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