噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及變工況模擬分析
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樊盼盼 王曉 姜瑞
東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院
摘要：本文結(jié)合噴射器的特性曲線方程，根據(jù)噴射器結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算方法編程，計(jì)算出初始條件下噴射器的具體尺寸，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果建立噴射器模型，依次改變工作流體、引射流體和出口壓力，運(yùn)用Fluent模擬實(shí)際運(yùn)行過程中工況改變對噴射器性能的影響。
關(guān)鍵詞：噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變工況模擬
0 引言
噴射器是一種利用流體傳遞質(zhì)量及能量的設(shè)備，它的突出優(yōu)點(diǎn)是無機(jī)械運(yùn)動部件，且具有體積小、壽命長、成本低廉、操作維修方便等優(yōu)勢，在制冷、發(fā)電廠、供暖、化學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。對噴射器的研究早期主要以《噴射器》為指導(dǎo)。童永春等對噴射器內(nèi)部流場的不均勻性進(jìn)行了修正，得到了噴射器的設(shè)計(jì)方法。劉愛萍推導(dǎo)出各個(gè)變量對噴射系數(shù)影響的數(shù)學(xué)表達(dá)式。本文結(jié)合噴射器的特性曲線方程，總結(jié)出噴射器結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算方法，根據(jù)計(jì)算方法編程，得出初始條件下噴射器的具體尺寸，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果利用Gambit建立噴射器模型，依次改變工作流體、引射流體和出口壓力的數(shù)值，運(yùn)用Fluent進(jìn)行模擬，研究實(shí)際運(yùn)行過程中工況改變對噴射器性能的影響。
1 噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
噴射器（圖1）是利用射流的紊流擴(kuò)散作用，使不同壓力的兩股流體相互混合，并引發(fā)能量交換的流體機(jī)械和混合反應(yīng)的設(shè)備。進(jìn)入裝置前，壓力較高的流體叫做工作流體，其以很高的流度從噴嘴流出，進(jìn)入接受室，由于射流的紊流擴(kuò)散作用，卷吸周圍的流體而發(fā)生動量交換，被吸走的壓力較低的流體叫引射流體。
噴射器的特性曲線方程，方程式為
合室入口段的速度系數(shù)，混合室速度系數(shù)。
根據(jù)索科洛夫的《噴射器》一書以及所介紹的噴射器計(jì)算方法，總結(jié)出噴射器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。并運(yùn)用迭代算法，編寫了噴射器結(jié)構(gòu)尺寸理論計(jì)算程序。
本文中計(jì)算初始參數(shù)取自某采暖裝置與熱力管網(wǎng)連接處的噴射器運(yùn)行參數(shù)：工質(zhì)為水，工作流體壓力pp為9.81 bar，引射流體壓力Ph為1.962 bar，擴(kuò)散室出口壓力即混合壓力p c為2.943 bar，混合流體質(zhì)量G c為27.8 kg/s，流體比v p=v h=v c=0.001 m3/kg。
將所需參數(shù)輸入到程序界面（圖2）中，運(yùn)行程序即可得到噴射器的結(jié)構(gòu)尺寸�？傻贸龀跏紬l件下噴射器最佳截面比為7.0395；吸收室長度0.34807 m;介于吸入室與混合室之間的漸縮入口0.102 m。
2 用CFD模擬變工況情況下噴射器的性能變化
根據(jù)計(jì)算所得的噴射器結(jié)構(gòu)尺寸建立模型(圖3)，運(yùn)用Fluent進(jìn)行模擬，模型建立如下：
工作流體人口采用壓力進(jìn)口邊界條件，因?yàn)樗俣冗M(jìn)口不適用于可壓流，而質(zhì)量進(jìn)口條件的收斂性不如壓力進(jìn)口。本文中含有湍流模型，還必須定義湍流參數(shù)。引射流體入口采用壓力進(jìn)口邊界條件�；旌狭黧w出口采用壓力出口邊界條件，需要指定出口邊界處的靜壓。壁面邊界條件采用無滑移絕熱壁面。
考慮到在混合段人口截面處，引射流體速度與工作流體的速度相比較小，故可以將引射流體的側(cè)向入口簡化成為軸向環(huán)形入口，忽略被徑向引射的流體對吸入室的擾動，從而便可以將三維模型簡化成為二維的軸對稱模型進(jìn)行計(jì)算分析。K．Pianthong等人將二維和三維模型模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法沿軸線靜態(tài)壓力分布的計(jì)算結(jié)果比較一致。在模型建立過程中將中心邊界做為對稱軸，各變量在對稱軸法線方向的梯度及垂直于對稱軸的速度為零，采用對稱邊界條件，可以避免求解整個(gè)計(jì)算域，從而使求解規(guī)�？s減到整個(gè)問題的一半。
在實(shí)際工作過程中，噴射器運(yùn)行工況經(jīng)常會發(fā)生變化，故針對工作流體、引射流體以及出口壓力變化對噴射器性能的影響進(jìn)行了模擬研究。
2.1工作流體壓力變化
在模擬過程中，引射流體壓力為1.962 bar，擴(kuò)散室出口壓力即混合壓力為2.943 bar。由于工作壓力低于引射流體壓力或者出口壓力，噴射器均無法正常工作，故在研究過程中只研究噴射器能保持正常工作的壓力變化范圍。工作流體壓力從0.5變化到3.0 M Pa，噴射器內(nèi)部壓力場變化、速度場變化以及噴射系數(shù)變化如圖4-6所示。
從圖中可以看出，在研究壓力范圍內(nèi)，隨著工作流體壓力的升高，噴射系數(shù)不斷增大，但是增長速度越來越緩慢，甚至有趨于不變或者降低的趨勢，雖然出口質(zhì)量流量不斷增加，但是提升工作流體壓力比較困難，所以工作流體壓力選在1.0~1.5 M Pa之間，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最好。而且從壓力場和速度場分布圖來看，工作流體壓力較低時(shí)其抽吸能力不足，流體流量較低；而工作流體壓力較高時(shí)，噴嘴出口壓力過高，到混合室出口工作流體和引射流體仍然沒有混合均勻，壓力場和速度場不穩(wěn)定，工作流體壓力過高時(shí)，出口流量開始發(fā)生震蕩，出口速度過高，故工作流體壓力應(yīng)盡量保持在1.0～1.5 M Pa之間。
2.2引射流體壓力變化
在模擬過程中，工作流體壓力為9.81 bar，擴(kuò)散室出口壓力即混合壓力為2.943 bar。由于引射流體不能高于工作流體壓力，故選擇引射流體壓力從0.05變化到0.5 M Pa，噴射器內(nèi)部壓力場變化、速度場變化以及噴射系數(shù)變化如圖7～9所示。
從圖中可以看出，噴射系數(shù)隨著引射流體壓力的升高而增大。這是由于隨著引射流體壓力的提高，增加了引射流體進(jìn)入混合室的推動力，混合流體的能量提高。不過隨著引射流體壓力的提高，噴射系數(shù)增加越來越緩慢，而且過高時(shí)，會導(dǎo)致噴射器出口壓力以及流量不穩(wěn)定，故引射壓力不能過低，但是也不能超過0.35 M Pa，否則會影響噴射器性能。
2.3混合流體壓力變化
在模擬過程中，工作流體壓力為9.81 bar，引射流體壓力為1.962 bar。出口壓力高于工作流體壓力噴射器無法正常工作，故研究混合壓力從0.15變化到0.55 M Pa，噴射器內(nèi)部壓力場變化、速度場變化以及噴射系數(shù)變化如圖10～12所示。
從圖中可以看出，出口流量隨著出口壓力的升高而減小。隨著出口壓力的逐漸升高，噴射系數(shù)剛開始變化不大，但是超過某一點(diǎn)時(shí)，下降速度變快，壓力過高時(shí)，噴射系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，流體從引射進(jìn)口流出，而且混合室內(nèi)部速度場和壓力場均不穩(wěn)定，混合室出口流體仍未混合均勻，出口流量和速度均不穩(wěn)定，故混合壓力取在0.3～0.35 M Pa之間最合適。
3 結(jié)論
文中首先介紹了噴射器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)初始條件計(jì)算出噴射器的結(jié)構(gòu)尺寸。然后建立噴射器模型，模擬變工況對噴射器性能的影響。從模擬結(jié)果可以看出：隨著工作壓力的升高，噴射器系數(shù)先增大，然后趨于不變甚至降低，工作流體壓力較低時(shí)，流體流量較低，而壓力較高時(shí)，內(nèi)部壓力場和速度場不穩(wěn)定，出口流量開始發(fā)生震蕩；噴射系數(shù)隨著引射流體壓力的升高而增大，不過增加越來越緩慢，壓力過高時(shí)，噴射器出口壓力以及流量不穩(wěn)定；隨著出口壓力的升高，出口流量逐漸減小，噴射系數(shù)剛開始變化不大，但是超過某一點(diǎn)時(shí)，下降速度變快，壓力過高時(shí)，噴射系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值且混合室內(nèi)部速度場和壓力場均不穩(wěn)定，出口流量和速度均不穩(wěn)定。
