主噴嘴直徑對(duì)蒸汽噴射器性能的影響

付維娜;劉中良;李艷霞;武洪強(qiáng);湯永智【摘要】ThecomplexinternalflowfieldofsteamejectorwasnumericallysimulatedwithcommercialsoftwareFLUENT.Thepressureandvelocityvariationofinternalfluidintheflowingprocesswerestudiedandanalyzed.Theinfluencesofthemixingsteampressureandtheoutletdiameterofprimarynozzleontheejectorperformanceofthesteamejectorwerediscussedinagreatlength.Itisfoundfromtheresultsthattheentrainmentratioofthesteamejectorremainsconstantfirstwiththebackpressuretoitscriticalpressureandthendecreases,nevertheless,theentrainmentratioinitiallyincreasessharplywiththeprimarynozzleoutletdiameterandthendecreasesaftertheoutletdiameterexceedsacertainvalue.Thereforethereexistsacriticaloutletpressureforthesteamejectorthatdeterminesitsoperationstates.Theoutletdiameterofmainnozzlehasanoptimalrange,inwhichtheejectorobtainsthebestperformance,andthedissipationlossoftheshockwaveisrelativelysmall.%利用FLUENT軟件對(duì)蒸汽噴射器復(fù)雜的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)噴射器內(nèi)部流體流動(dòng)過(guò)程中壓力、速度等參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，重點(diǎn)討論了混合蒸汽壓力和主噴嘴出口直徑的變化對(duì)蒸汽噴射器引射性能的影響.結(jié)果表明:蒸汽噴射器存在一個(gè)臨界出口壓力，主噴嘴出口直徑存在一個(gè)最優(yōu)范圍，此時(shí)噴射器的引射性能達(dá)到最佳，而且激波的耗散損失較小.【期刊名稱】《化工學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2016(067)0z1【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P63-68)【關(guān)鍵詞】蒸汽噴射器;混合蒸汽壓力;主噴嘴出口直徑;引射性能;激波;過(guò)程系統(tǒng);模型數(shù)值模擬【作者】付維娜;劉中良;李艷霞;武洪強(qiáng);湯永智【作者單位】北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，強(qiáng)化傳熱與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124;北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，強(qiáng)化傳熱與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124;北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，強(qiáng)化傳熱與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124;北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，強(qiáng)化傳熱與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124;北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，強(qiáng)化傳熱與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TK124噴射器是一種利用高壓蒸汽抽吸低壓蒸汽的流體機(jī)械，該裝置使兩種不同壓力的流體相互混合并發(fā)生能量交換，形成一股居中壓力的混合流體［1］。噴射器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能效果顯著，而且具有不消耗機(jī)械能可將低品位能轉(zhuǎn)化為高品位能的優(yōu)點(diǎn)，受到眾多研究者青睞。噴射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但復(fù)雜的內(nèi)部流動(dòng)影響噴射器的引射性能，尤其是遇到流道突變產(chǎn)生激波壓縮以及超聲速向亞聲速的轉(zhuǎn)變帶來(lái)的耗散損失等。為探究噴射器內(nèi)較為復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)夕卜研究者做了大量的實(shí)驗(yàn)研究［2-5］和數(shù)值研究［6-10］。Wang等［11］對(duì)不同背壓下蒸汽噴射器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行二維數(shù)值模擬研究，并對(duì)流場(chǎng)中速度、壁面壓力等分布進(jìn)行了分析討論。Yuan等［12］建立蒸汽噴射式熱泵的三維模型，對(duì)熱泵中流體流動(dòng)的壓力和速度分布規(guī)律進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)混合流體壓力的優(yōu)化進(jìn)行了討論，研究結(jié)果表明熱泵中流體的速度場(chǎng)是不完全軸向?qū)ΨQ分布的。Wu等［13擻值研究了混合蒸汽壓力和混合室結(jié)構(gòu)對(duì)蒸汽噴射器的引射系數(shù)及內(nèi)部流場(chǎng)的影響。然而以上對(duì)混合蒸汽壓力的研究均沒(méi)有詳細(xì)解釋出現(xiàn)此變化的原因。王金鋒等［14］采用真實(shí)氣體模型對(duì)噴射式制冷空調(diào)系統(tǒng)的噴射器進(jìn)行CFD計(jì)算，研究了工作參數(shù)對(duì)噴射器性能的影響，然而文中并沒(méi)有提及真實(shí)氣體模型流動(dòng)過(guò)程中存在的凝結(jié)現(xiàn)象，更并沒(méi)有對(duì)凝結(jié)、激波等現(xiàn)象做出分析。噴嘴是噴射器中提供超聲速流及低壓區(qū)的關(guān)鍵部件，為增強(qiáng)噴射器的引射性能，研究者們對(duì)噴嘴形狀進(jìn)行了優(yōu)化。Varga等［15］在噴嘴內(nèi)加梭型結(jié)構(gòu)，以提高噴射器的引射性能。屈曉航等［16］數(shù)值研究了波紋狀噴嘴，對(duì)不同波紋結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討波紋結(jié)構(gòu)影響噴射器性能的機(jī)理。劉化勇［17］數(shù)值研究了單噴嘴并聯(lián)、開(kāi)縫型噴嘴等結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)開(kāi)縫型噴嘴誘導(dǎo)的大尺度流向渦結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了噴射器內(nèi)氣流的混合效果，從而提高了引射效率。Ruangtrakoon等［18］數(shù)值模擬了8種不同噴嘴結(jié)構(gòu)，著重分析討論了工作流體的膨脹角和第二激波對(duì)蒸汽噴射式制冷循環(huán)的性能影響。然而此模擬過(guò)程仍是在理想氣體模型條件下完成的，并沒(méi)有涉及冷凝、相變等現(xiàn)象，而且研究過(guò)程中未涉及壓力的變化。此外，Chen等［19］基于CFD技術(shù)研究了主噴嘴出口位置(NXP)和混合室長(zhǎng)度等幾何因素對(duì)噴射器性能及壓縮比的影響。Chen等［20］用實(shí)驗(yàn)方法研究了噴射器不同位置噴嘴引射比的差異，結(jié)果表明引射比起初隨噴嘴出口位置增大而增大，然后保持不變。同時(shí)，本工作建立了一維數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。然而，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立在引射流體在漸縮段的速度及混合流體在定常面積區(qū)的速度均未達(dá)到聲速的假設(shè)基礎(chǔ)之上。以上大多數(shù)研究者對(duì)噴嘴的研究集中在噴嘴形狀、噴嘴位置等方面，主噴嘴出口直徑也是影響噴射器性能的重要因素。本工作建立了蒸汽噴射器的二維軸對(duì)稱模型，采用數(shù)值模擬方法分析研究噴射器的混合蒸汽出口壓力和主噴嘴不同出口直徑對(duì)噴射器引射性能的影響，并詳細(xì)探討了噴射器內(nèi)超聲速流的混合過(guò)程以及流動(dòng)過(guò)程中存在的激波、壅塞等現(xiàn)象。蒸汽噴射器主要由5部分組成：主噴嘴、接收室、混合室(漸縮段及等截面喉部)和擴(kuò)壓室。如圖1所示。蒸汽噴射器的工作過(guò)程主要可分為3個(gè)階段：主噴嘴階段、混合階段和壓縮階段。即高溫高壓的工作流體在拉伐爾噴嘴中絕熱膨脹并形成高速射流，將工作流體的壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，導(dǎo)致其流動(dòng)狀態(tài)由亞聲速變?yōu)槌曀伲⒃诨旌鲜仪岸涡纬蓧毫^低的低壓區(qū)，引射流體由于低壓作用的影響以及與工作流體之間極強(qiáng)的剪切作用被卷吸入接收室。工作流體與引射流體在射流邊界層的紊動(dòng)擴(kuò)散作用下發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量及能量的交換，致使工作流體的速度不斷減小，而引射流體的速度不斷增大，最終二者在混合室中形成單一均勻的混合流?；旌狭黧w經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓室的減速、升壓過(guò)程而排出噴射器。蒸汽噴射器的性能指標(biāo)主要通過(guò)引射系數(shù)3這一參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。3指的是在一定的工況下單位質(zhì)量工作流體通過(guò)噴射器時(shí)所能抽吸的引射流體的量，其數(shù)值等于引射流體的質(zhì)量流量ms與工作流體的質(zhì)量流量mp之比。即索科洛夫等［1］用理論和實(shí)驗(yàn)的方法研究了應(yīng)用于實(shí)際中的多種類(lèi)型噴射器，提出了噴射器主要尺寸的計(jì)算方法。本工作基于索科洛夫的計(jì)算方法，在工作、引射和混合蒸汽壓力及溫度確定的條件下(pp=600kPa,Tp=432.15K;ps=15kPa,Ts=327.15K;pc=40kPa)采用一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型和定壓混合模型進(jìn)行引射系數(shù)的計(jì)算及噴射器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表1。本工作使用商業(yè)軟件FLUENT對(duì)噴射器內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行研究。相對(duì)于噴嘴出口的超聲速射流，引射流體初始速度很小，可忽略，故可將引射流體的側(cè)向入口簡(jiǎn)化成軸向環(huán)形入口，采用二維軸對(duì)稱模型，并在噴嘴出口處適當(dāng)加密網(wǎng)格，對(duì)速度梯度和壓力梯度較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。湍流模型采用Realizablek-s模型。選用基于壓力基的隱式求解器，流體均為飽和蒸汽氣體。主蒸汽入口和引射蒸汽入口均采用壓力入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。噴射器外邊界和主噴嘴外邊界都設(shè)定為壁面，采用無(wú)滑移絕熱壁面邊界條件。為獲得蒸汽噴射器復(fù)雜的內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，保持蒸汽的工作參數(shù)不變(pp=600kPa,ps=15kPa)，對(duì)其內(nèi)流體的Mach數(shù)、壓力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)行分析討論。圖2和圖3分別為蒸汽噴射器內(nèi)部流體的Mach數(shù)及壓力沿軸線分布。從圖中可以看出，高壓工作流體進(jìn)入拉伐爾噴嘴后，壓力沿軸線方向迅速降低，并在噴嘴出口下游形成低壓區(qū)。而初始速度較低的工作流體進(jìn)入噴嘴后速度沿軸線方向急劇增加，并在噴嘴漸擴(kuò)段其速度增加為超聲速。從噴嘴出口出來(lái)的高速射流由于壓差的作用，卷帶著接收室兩邊的低速引射流體繼續(xù)向前流動(dòng)。此時(shí)，壓力突然升高，并達(dá)到較小的峰值，這是由于在超聲速流動(dòng)條件下噴嘴出口流道的突然增大在一定程度上導(dǎo)致了噴嘴出口邊緣處出現(xiàn)較大的擾動(dòng)并產(chǎn)生斜激波。中間高速的工作流體與兩側(cè)低速的引射流體在混合室內(nèi)劇烈的碰撞混合和能量傳遞形成了二者此消彼長(zhǎng)的速度變化規(guī)律，即工作流體的速度不斷降低，引射流體的速度不斷升高，直到二者完全混合，速度基本上趨于一致。流體流經(jīng)擴(kuò)壓室時(shí)，擴(kuò)壓室入口截面積的突然增大產(chǎn)生的激波增加了機(jī)械能的耗散損失，靜壓力在激波影響下呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，而混合流體速度進(jìn)一步降低，并在出口處降為亞聲速流動(dòng)。3.1優(yōu)化混合蒸汽壓力pc模擬過(guò)程中，設(shè)工作蒸汽壓力pp、引射蒸汽壓力ps為定值(pp=600kPa,ps=15kPa），出口混合蒸汽壓力pc在20kPa和50kPa之間變化。圖4呈現(xiàn)的是引射系數(shù)3隨pc的變化趨勢(shì)。從圖中明顯可以看出，3在初始階段基本保持不變，而混合蒸汽壓力大于某一值時(shí)3出現(xiàn)陡降。故可得出以下結(jié)論：在蒸汽噴射器內(nèi)，出口混合蒸汽壓力pc存在一個(gè)臨界背壓pcr。當(dāng)pc<pcr時(shí)，3基本保持不變，此時(shí)蒸汽噴射器處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)；當(dāng)pc>pcr時(shí)，3隨pc增加快速減小，甚至出現(xiàn)回流，此時(shí)噴射器的工作性能開(kāi)始逐步惡化。圖5展示了不同出口混合蒸汽壓力pc下的速度云圖。從云圖中可以清晰地看到在蒸汽噴射器內(nèi)出現(xiàn)了雙激波現(xiàn)象。第一激波出現(xiàn)在主噴嘴出口截面附近。第二激波出現(xiàn)在噴射器喉部或擴(kuò)壓室入口截面，此位置與混合流體的總能量緊密相關(guān)，即流體能量較高時(shí)第二激波向擴(kuò)壓室入口截面移動(dòng)，此時(shí)噴射器可工作在較高的臨界背壓值下。出口壓力pc低于pcr時(shí)，pc的變化對(duì)擴(kuò)壓室進(jìn)口前流體流動(dòng)影響較小，可忽略不計(jì)；工作流體和引射流體在噴射器的主噴嘴和混合室等截面喉部均發(fā)生壅塞現(xiàn)象，使得工作流體和引射流體流量不隨出口壓力變化而變化，故3保持不變，而且隨pc增加第二激波的位置向擴(kuò)壓室上游移動(dòng)。若pc高于臨界值pcr（如pc=47kPa），流體的混合作用導(dǎo)致第二激波的位置向混合室移動(dòng)，此時(shí)的激波干擾了兩種流體的有效混合，引射流體在等截面喉部的壅塞現(xiàn)象逐漸減弱甚至解除，導(dǎo)致較少量的引射流體卷吸入噴射器中，此時(shí)引射流體的流量高度依賴于背壓值的大小，而工作流體因壅塞現(xiàn)象流量仍保持不變，故3在亞臨界模式下隨出口壓力升高呈現(xiàn)出線性下降的變化趨勢(shì)。若pc繼續(xù)升高，達(dá)到并超過(guò)回流背壓時(shí)，第二激波的位置移向主噴嘴位置，此時(shí)工作流體受其干擾，不再產(chǎn)生膨脹波，而且在噴嘴出口截面附近工作流體出口壓力低于引射流體入口壓力，故工作蒸汽從引射蒸汽入口（接受室）流出，噴射器失去了卷吸引射流體的能力，發(fā)生故障。這也在一定程度上解釋了圖4中3起初保持不變隨后急劇下降的現(xiàn)象。從圖4和圖5的分析可以知道，待工作流體、引射流體的壓力確定后，很有必要對(duì)臨界出口壓力值進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，從而能夠更清晰地判斷在給定的出口壓力條件下噴射器能否正常穩(wěn)定地運(yùn)行以及運(yùn)行性能的高低。3.2優(yōu)化主噴嘴出口直徑d1高溫高壓的工作流體在噴嘴漸擴(kuò)段達(dá)到超聲速，并在噴嘴出口截面的下游速度達(dá)到最大，而且噴嘴出口截面處的Mach數(shù)是由噴嘴出口截面積與喉口截面積之比(A1/A0)確定的，因此優(yōu)化噴嘴出口截面積是噴嘴設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本工作重點(diǎn)研究噴嘴出口截面直徑與喉部直徑比(d1/d0)的變化對(duì)噴嘴出口流場(chǎng)的影響。為了調(diào)節(jié)不同的直徑比，研究中保持噴嘴喉部直徑(d0)不變，調(diào)整噴嘴出口截面直徑(d1)，觀察噴射器結(jié)構(gòu)的改變對(duì)噴嘴出口流場(chǎng)的影響。圖6給出了在工作壓力、引射壓力、混合蒸汽壓力下(pp=600kPa，ps=15kPa,pc=40kPa)噴射器的引射性能隨噴嘴出口直徑的變化(d1/d0=1.1~5)。從圖中可以看出，隨著d1/d0的增大，3迅速增加，達(dá)到最大值后變化趨勢(shì)趨于平緩，基本上保持不變，隨后又急劇降低。分析可知，當(dāng)直徑比較小時(shí)，主蒸汽不能充分膨脹，主噴嘴中的速度相對(duì)較小，產(chǎn)生的低壓不足以使噴射器卷吸給定壓力下的引射蒸汽量。當(dāng)直徑比增加到一定值時(shí)，主噴嘴出口處的主蒸汽產(chǎn)生了一個(gè)足夠低的壓力，使進(jìn)入噴射器中的引射蒸汽達(dá)到其臨界狀態(tài)，質(zhì)量流量保持不變。而隨著出口直徑的進(jìn)一步增加，工作蒸汽膨脹角增大，減小了引射蒸汽的有效流通面積，故引射蒸汽的質(zhì)量流量迅速減少。因此，存在一個(gè)最佳的出口直徑比范圍，蒸汽噴射器在此范圍內(nèi)獲得其最佳性能。圖7顯示了pp=600kPa、ps=15kPa和pc=40kPa下噴嘴不同出口直徑下的速度云圖。從圖中也可以清晰地看到，隨著噴嘴出口直徑比的增加，主噴嘴出口截面處的膨脹波由欠膨脹波轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)膨脹波，即d1/d0=1.1時(shí)，高速射流離開(kāi)主噴嘴出口截面時(shí)繼續(xù)膨脹并達(dá)到更高的超聲速水平，此時(shí)噴嘴出口膨脹波的膨脹角呈擴(kuò)張狀態(tài)，噴嘴出口截面處(40mm)的壓力高于混合室壓力，如圖8噴嘴不同出口直徑下壓力沿軸線分布所示。此種情況下，工作流體流出噴嘴出口時(shí)必須持續(xù)膨脹，直到射流邊界上的氣流壓強(qiáng)和混合室的壓強(qiáng)平衡。而膨脹是一個(gè)增速降壓的過(guò)程，故d1/d0=1.1，混合室某截面處的速度顯然比其他面積比的速度高，如圖9噴嘴不同出口直徑下速度沿軸線分布所示。d1/d0=2.5時(shí)，噴嘴出口的膨脹波有一個(gè)收斂性的膨脹角，此時(shí)噴嘴出口截面處(40mm)的壓力低于混合室壓力，如圖8所示。相對(duì)于欠膨脹波，過(guò)膨脹狀態(tài)下超聲速射流離開(kāi)噴嘴后流動(dòng)比較平緩，因而能量損失相對(duì)較少，這時(shí)噴射器的性能較為理想。從圖8和圖9中不同出口直徑下壓力、速度沿軸線的分布還可以看出，噴嘴出口截面處的速度隨出口面積比增加而增大，這很好地吻合了可壓縮流的理論。噴嘴出口直徑為d1/d0=1.1和d1/d0=4時(shí)出口流場(chǎng)的波動(dòng)性較大，速度、壓力都有強(qiáng)烈的跳動(dòng)，產(chǎn)生更大的機(jī)械能損失。而且，噴嘴出口直徑過(guò)小會(huì)使得噴射器正常工作的臨界背壓降低，造成工況的不穩(wěn)定。綜上，直徑比為2.5時(shí)蒸汽噴射器的引射性能在給定工況下達(dá)到最佳。對(duì)于蒸汽噴射器來(lái)說(shuō)，提高其引射系數(shù)至關(guān)重要。本工作主要運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)改變蒸汽噴射器混合流體出口壓力及主噴嘴出口直徑分析其內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，研究其對(duì)噴射器整體性能的影響。結(jié)論如下。保持工作蒸汽壓力和引射蒸汽壓力不變時(shí)，混合蒸汽壓力存在一個(gè)臨界壓力。當(dāng)混合蒸汽壓力低于臨界壓力時(shí)，引射系數(shù)保持不變；當(dāng)混合蒸汽壓力高于臨界壓力時(shí)，引射系數(shù)急劇降低，甚至出現(xiàn)回流。當(dāng)蒸汽噴射器工作參數(shù)及其他參數(shù)不變時(shí)，噴嘴出口直徑存在一個(gè)最佳范圍。當(dāng)噴嘴出口直徑比d1/d0<1.5時(shí)，引射系數(shù)隨出口直徑增大而增大；當(dāng)d1/d0=1.5~3.5時(shí)，引射系數(shù)達(dá)到最優(yōu)值；當(dāng)d1/d0>3.5時(shí)，引射系數(shù)隨出口直徑增大而減小。References索科洛夫E凡津洛爾HM.噴射器[M].黃秋云，譯.北京：科學(xué)出版社，1977:280.SOKOLOFFE凡GiGGLEHM.Ejector[M].HUANGQY,trans.Beijing:SciencePress,1977:280.陳偉雄，種道彤,嚴(yán)俊杰，等.含水噴射器裝置性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2014,35(4):710-713.CHENWX,ZHONGDT,YANJJ,etal.Experimentalinvestigationofejectorperformanceonthetwophaseoperation[J].JournalofEngineeringThermophysics,2014,35(4):710-713.CHENWX,SHICY,HUMQ,etal.Numericalandexperimentalanalysisoftwophaseflowinejector[J].EnergyProcedia,2014,61:1298-1301.馬國(guó)強(qiáng)，陶樂(lè)仁.太陽(yáng)能?chē)娚涫街评湎到y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷技術(shù),2014,34(6):1-4.MAGQ,TAOLR,Experimentalstudyofsolarejectorrefrigerati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