可调式引射器的流动特性研究.pdf

可调式引射器的流动特性研究可调式引射器的流动特性研究摘 要本文对可调式引射器的流动特性及有关因素的影响、 流量调节性能及这种引射器的设计方法进行了探讨， 并对其内部流场进行了数值模拟 根据质量守恒和动量守恒原理， 推导出了 可调式引 射器的 特性方程和最佳截面比 公式， 为可调式引射器的特性分析和设计计算打下理论基础 分析了有关因素对可调式引射器引射比的影响规律， 结果表明， 工作流体压力、 引射流体压力、 混合流体压力的升高， 相对压力降的 减小都将使引 射比明显增大: 调节度 ( 毛 ) 越大， 引 射比曲 线越陡并趋于线性化，导致上述四个参数的适用范围缩小，引射器调节性能变差本文建议} 1 的情形 这个模型由 两个基本部分组成: 一是定常面积混合过程的整体分析， 如图1 - 3 所示， 假设在馄合段入口 截面2 处工作流体和引射流体具有均衡的速度和压力分布，在第二喉管出口 截面3 上流体己 充分混合均匀， 在截面2 和3 之间运用各守 恒方程， 求得混合段出口 流体的状态 然而这不能唯一确定混合过程中的工作状况，因为流体可能处于M R , S R或S S R区 第二步作为第一步的 必要补充， 假定工作流体和引 射流体在截面2 和截面2 ‘ 之间不发生粘性相互作用， 是相互独立的等嫡过程， 而在截面2 ‘ 上发生奎塞现象即M P 2 ' = 1 或M H 2 .1 . 分析结果表明: 对可调式引射器的流动特性研究于定常面积混合引射器而言，其运行区域主要取决于 P H I 和 外I 的关系:若P H I } - P P I ， 在P C 足够小时， 工作流体膨胀出来在截面2 处形成最小的气体通道，引射流体在此发生奎塞， 引射比与P C 无关而保持不变， 形成图1 - 2 中的S R面;若 P H I > P P I ，引射流体则逆着工作流体膨胀出来，工作流体的最小截面积发生在截面2 处， 当P C 足够小时， 工作流体在此形成塞塞， 这种情形便是图1 - 2 中的S S R面。

当引射器在M R面上工作时，要求P C 比较高，在通过混合区域时引射流体或工作流体保持超音速， 其引射系数才会随P C 的变化而变化 由于上述所有的假设都是在定常面积混合理论的基础上得到的，故此法并不适用于定压混合理论引射流体婉Pc肠彻工 作 流 体2无 粘 性 作 用 区2 ' 混 合 区3图1 一 定常面积混合流体模型示意图对混 合理论而言， 定常面 积混 合的 奎 塞现象比 较 容易 理解. H u a n g 和C h a n g等13 6 ]人分析了引射制冷器在极限 状态下的性能他们假设在定常面积段流体的混合也是一种等压过程，工作介质是理想流体，引射流体与工作流体起初并不混合直至在第二喉管的某一截面上发生奎塞，以一维等嫡流动加效率系数的形式描 述引 射器内的流动状态得出了引 射器的 一维计算模型同时他采用 1 1台R 1 4 1 b 制冷引 射器的实验结果对模型进行修正.D u tt o n 和C a r r o 1 1 13 ' 1按上述方法设计了 一台引射器用于回收储油罐中的天然气为了确定工作喷嘴的马赫数及混合段与喷嘴出口截面的面积比等参数，D u tt o n 等 采用A d d y 等人的 分析方法 确定了 在给定 压缩比 和引 射比 下工作流体具有 最小 滞止压力的设计方案。

W a c h o l d e r 和D a y a n (3 9 1 则 采用共扼一 敏感性方法定量地分析了 对在给定操作点处不同设计参数对引 射器压缩比的影响随后，D u tt o n 和C a r r o l l 进一步发展了 他们先前的 模型， 在该模型中只要己 知引 射比、压缩比或滞止压力比中的任意两个参数，再加上工作流体的性质和总温就可以对其进行优化计算 这种模型随后又扩展到了出口( 图1 - 3中截面3 ) 奎塞的情形， 事实上在出口 处发生奎塞的情形是非常少见的， 只有当引 射流体与工作福州大学硕士学位论文流体的总温t o 非常小，而引射比 非常大的时候才有可能发生.I II . 经典热力学法[3 9 ,4 0 ]传统经典热力学法依据热力学经典过程及第一、第二定律对引射器的绝热膨胀和压缩两过程的终态参数进行计算，并采用经验的方法来处理几个关键几何尺寸:喷嘴尺寸、混合室尺寸、 扩散室角度和长度等该方法理论性强， 物理模型采用经典热力学所述的热力过程， 经长期计算改进， 其中的经验成分也已经比 较成熟经典热力学法一般有如下的假定:1 )过程是绝热的:2 )工作流体与引 射流体的混合是在定压下进行， 此压力等于引射流体压力。

3 )喷嘴、混合室、扩散室的壁面摩擦，边界层分离等损失与喷嘴、混合室、扩散室的效率有关经典热力学法是直接根据引射器的热力过程进行计算，比较直观， 计算也比 较简单单纯从假设条件看，同上两种计算方法区别不大 经典热力学法的主要缺陷在于对混合过程的大力简化， 其中大多 用的是定压混合模型，还有一些则忽略了混合区域的几何影响的不确定性，用的是等面积混合模型， 为了 简化， 有的甚至就用绝热模型 但对于气体引 射器来说， 经典热力学法要优于空气动力学法，因为空气动力学法把工质看成理想气体来处理，根据理想气体的气动特性来计算喷嘴内 气流的流动过程， 这显然会引 起很大的误差应用经典热力学法设计引 射 器在工 程和实验上也较为广泛 S o re n s e n [4 1 1设计了一种提取0 3 0 8 的引射器并对其热力过程进行了模拟李龙华、洪超[4 z ]认为截面比 是影响引射器效率的 关键所在， 他们通过对大峡水电 站引 射器的正交优化试验， 证实了找到最优截面比 是提高引 射器效率的有效途径 王权、 丁旭昌 等14 3 ]人对蒸汽喷射式热泵与电 动、 汽动热压缩热泵的功效进行比较后指出: 表面上看， 蒸汽喷射式热泵供热系数比电 动式热压缩热泵低很多，但实质上效益不一定低， 而且蒸汽喷射式热泵还可以 灵活地按照工业余热的数量、品位来补充余热回收气量的不足， 使整个供热和余热回收系统达到平可调式引射器的流动特性研究衡。

而蒸汽喷射式热泵与汽动热压缩热泵的功效差别不大， 但其造价仅为汽动热压缩热泵的1 / 5 左右其它类似的工作，限于篇幅，不再一一叙述1 .2 . 3实验研究进展研究者们在进行理论分析的同时，也作了大量的实验研究工作引射器的壁面静压是一个相对比 较容易测定的 物理量， H e d g e 和H i l l [“ ]采用两种不同 锥度的喷嘴( 分别是 4 .4 和 1 2 0 ) 对引射器内的 速度及壁面静压分布作了 测定，结果表明喷嘴锥度对引射器的性能影响并不大 为了分析引射器内的混合过程，B a u e P将激波的结构以纹影照片的形式表现了出来， 遗憾的是他仅研究了定常面积混合的情况W a t a n a b e + 0 1作了一些实验以 决定喷嘴位置及扩散室长度对引射器性能的影响 他发现喷嘴相对于混合室存在一个最佳位置， 此时引射器具有最高的引射比，扩散室长度的增加能提高扩散室的效率但不利于引射器效率的提高，但他同时又指出 喷嘴位置对引 射器工作的影响 超出了当时的理论范围前苏联热工研究所的实验结果证实了W a t a n a b e 的发现， 即喷嘴的出口 至混合室入口 距离有一最佳距离。

同时发现该距离略小于最佳距离时对喷射器的性能影响不大，而当这个距离大于最佳距离时，喷射器的工作性能迅速恶化他们认为这是因为自由 流束带入到混合室的气体要比引射器能通过的多，因而有一部分气体从混合室倒流入吸入室，从而增加附加损失所致M a t s u o等14 5 ] 人对具有矩形截面混合室和矩形截面喷嘴的引射器进行了 研究， 他 们采用不同 的喷嘴 及不同的W 值( Ir 表示馄合 室 截面与喷嘴 截面的 面积比 )组合以 观察它们对引射器操作性能的 影响 他们发 现: 给定一个ut 值， 存在一个最 佳的 压力比 护 e 1 P H ) ， 可以 满足引 射流 体的 流量 最 大而 压力比 最小; 给定一个固 定 马 赫 数， 存 在 一 个 最 优 的 面 积比yf o p t， 可 以 满 足 夕 产口 o p t 值 最 小 同 时 ，他们依据实验中 测量到的 压力数据和拍摄到的纹影照片将引射器的 工作性能曲线分成五类. N a h d i 等(4 6 ]人也观察了面积比 对引射器操作性能的影响， 同M a t s u o等人不同的是，他们采用圆形截面替代矩形截面以 便有可变的面积比Y/ 。

结果表明:最大引射比 和压力比随面积比的变化而变化，在所有这些条件中存在一个最优的面积比和最大的引射比 W a t a n a b e 也观察了面积比的影响， 得出了最9福州大学硕士学位论文佳值Wl n o t o 等[3 9 1人也分别对圆形、方形、 三角形的喷嘴出口截面的引射器进行了 研究，他们发现圆形喷嘴截面效率最高，三角形截面效率最低，并推导出理论上引射器的最大效率为 1 0 0 所有的这些实验结果表明:当工作条件发生改变时，引射器的最优几何参数也发生改变，因而，为维持最优运行，引射器的变参数设计看来就很有必要然而 K e e n a n当时的理论并不能解决引射器的 变 工 况设计问 题， P o w e r 和L u d w i g 等 O 1人根据实 验结 果， 得出了 引 射器的 性能曲 线.1 9 5 6 年， 美国热交换协会根据这些资料制定了引 射器的设计标准122 1引 射器在 制冷领域的 文献很多， S o k o l o v 及H e r s h g a 1 1 1“ ,a s 1对其有较为 详细的阐述， 在美国供热通风及空调工程师协会(( A S H R A E ) 的设备手册中甚至分列了喷射式制冷这一章。

S u n 14 9 1 详细研究了H C F C - 1 2 3 喷射制冷系统的操作特性后指出， H C F C - 1 2 3 是一种理想的替代C F C - 1 1 的工质.随后他采用 1 1 种制冷剂对喷射式制冷循环的制冷系数、引射比 及截面比 进行了比 较研究，发现当 制冷工质为蒸汽时，制冷系数最低，而R 1 5 2 a 系统具有较佳的操作性能D e s e v a u x 1 1m 1 采用激光对定常面积混合空气引射器内的混合过程进行了一系列有益的探索，所得出的混合段激波结构的照片对理解引射器的混合过程具有很大的价值 从他的 研究结果中可知工作流体自 喷 嘴射出以 后不断膨胀压缩，形成了 逐渐衰减的准周期性流动结构遗憾的是D e s e v a u x l 仅研究了定常面积混合引射器内的流动状况，也未对操作工况变动时激波的运动规律作出阐述1 . 2 . 4数值模拟研究进展随着计算机及数值方法的发展，用数值模拟的方法来描述引 射器内的复杂流动己经成为可能，这是一种经济而快捷的手段数值模拟一般首先将引 射器简化成为一元流， 在P H O E N I C S , F L U E N T ,S T A R - C D等商用软件平台 上， 选择相应的流动模型， 一般引 射器内 部湍流模型选择k - ， 两方程模型， 采用有限 体积法、 有限 差分法、有限元法等对控制方程进行离散， 对模拟区域进行网 格设置，再给出初始条件和边界条件， 然后设置相应的迭代条件， 用S I M P L E , S I M P L E R , S I M P L I C 等算法求解， 当收敛时，就可计算出引射器内部流场的结果。

尽管早在1 9 3 3 年英国 科学家T h o m应用手摇计算机完成了 对外掠圆柱流动可调式引射器的流动特性研究的数值模拟，但数值模拟在全世界范围内逐渐形成规模而且得出有益的结果，大致在上个世纪6 0 年代 1 9 6 5 年美国科学家H a r l o w和We l c h 提出了交错网格的思想，。