噴射器的研究現(xiàn)狀

1噴射器的組成噴射器，又稱噴射泵，在20世紀50年代至60年代廣泛應用于行業(yè)中。它具有結構簡單、加工簡單、成本低、工作可靠、安裝維修方便、密封良好等優(yōu)點，廣泛應用于石油、醫(yī)療、冶金、石油等行業(yè)。噴射器是利用射流紊動擴散作用來傳遞能量和質量的流體機械和混合反應設備。它由噴嘴、喉管入口、擴壓器及吸入室等部件組成,見圖1。其工作原理是:有壓流體(液體或氣體)通過噴嘴射出,在噴嘴口處由于射流邊界層的紊動擴散作用,與周圍被吸流體發(fā)生動量交換,這兩股流體在喉管入口段及喉管內混合,進行能量和質量傳遞,于是工作流體的速度減小,被吸流體的速度增大,兩者的速度在喉管出口處漸趨一致。流體的壓力從噴管出口截面到喉管入口截面是降低的,以后逐漸增高,通過擴散管將混合流體的動能轉換成壓力能,壓力進一步升高,流體沿排出口被輸送到用戶中去。2噴射器的評價模型噴射器是依靠射流使流體質點間產(chǎn)生相互撞擊來傳遞能量的在混合過程中產(chǎn)生大量旋渦,在喉管內壁產(chǎn)生摩擦損失以及在擴散管中產(chǎn)生擴散損失,所有這些都會引起大量的水力損失,從而使大部分能量在傳遞過程中損失掉,導致生產(chǎn)成本提高,效率降低。隨著節(jié)能降耗、保護環(huán)境日益得到人們的重視,對改善噴射器結構和提高其性能的研究,越來越受到國內外研究者的重視。目前,對噴射器的理論研究尤其是對噴射過程的深入研究,還很缺乏。由大連理工大學沈勝強等編寫的《噴射式熱泵的設計計算和性能分析》介紹了噴射器設計的一維分析理論及方法。這一理論對噴射器的設計起了重要作用,但它對噴射器內的流動過程未能作出描述,不能分析影響噴射流動的因素,其分析結果有很大的局限性。采用多維數(shù)值模擬方法和激光多普勒測試儀測試對噴射器二維模型進行分析研究,能對噴射器內流動過程及影響因素有更清晰的了解,并能揭示一些一維理論無法解決、實驗難以測量到的現(xiàn)象。對于噴射器來說,其結構雖然簡單,但影響其性能的因素卻比較多,包括噴嘴、喉嘴間距、喉嘴長度、擴散管角度、噴嘴與喉管面積比等,各個參數(shù)對噴射器性能都有不同程度的影響。另外,噴射器的工作流體、引射流體和混合流體的壓力、流量、物性和操作條件以及附帶設備的運行狀況也直接影響其效率和性能。本文主要對噴射器性能進行綜合分析,尤其是運用流體模擬計算對噴射器的噴嘴、混合室、擴壓器內流場以及各部分尺寸對其性能的影響進行分析,從而對噴射器的結構參數(shù)進行優(yōu)化。3擴壓器生長過程噴射器的工作過程很復雜,為了便于分析,作如下假設:(1)壓縮空氣與被抽氣體均為理想氣體;(2)壓縮氣體與被抽氣體在噴嘴出口到擴壓器喉部入口間為等壓混合;(3)流體在擴壓器喉部發(fā)生正激波;(4)壓縮氣體及被抽氣體在泵內的壓縮與膨脹過程為絕熱過程。壓縮空氣經(jīng)過噴嘴變成超音速氣流,噴射到擴壓器的混合室內。由于空氣流處于高速狀態(tài),而壓力則降得較低,同時還降溫,這就使吸入室內形成負壓。此時,被抽氣體被吸進混合室。本文采用流體數(shù)值模擬軟件ANSYS(FLOTRAN)對噴射器內部的流場進行模擬,并對數(shù)值計算結果進行分析。3.1噴射器結構尺寸設計條件:壓縮空氣壓力Pp=0.6MPa,Ph=0.1MPa,空氣絕熱指數(shù)Kp=Kh=1.4,氣體常數(shù)R=287J/(kgK),溫度tp=th=27℃。式中,下標p代表工作介質,h代表引射流體。工作介質和引射流體均為空氣本文研究的噴射器結構尺寸如圖2所示。計算假定:(1)工作噴嘴的出口截面和混合室的入口截面重合在一起;(2)在噴嘴出口截面所在平面與漸縮管入口截面之間的那一段上,工作介質和引射流體各自流動而不混合。由流體力學連續(xù)性方程及拉瓦爾噴嘴的特性(即喉部速度為音速)可推導出噴嘴喉部直徑d0為2mm,從而得出其余結構參數(shù),見圖2。3.2湍流模型及約束采用二維建模,元素類型定義為2DFLOTRAN141。采用四邊形網(wǎng)格,因壁面附近存在較大的速度梯度,故對其加密劃分網(wǎng)格,見圖3。然后,對其進行加載和約束,見圖4。湍流模型選用標準k-X模型。在求解過程中應逐步將人工粘性減小,直至為零;動量慣性和壓力慣性逐步增大,直至為1×1015;根據(jù)收斂情況適當調整穩(wěn)態(tài)控制設置中的執(zhí)行次數(shù),最終得到分析結果。4網(wǎng)絡壓量的模擬結果(1)根據(jù)圖5和圖6的分析結果,軸向坐標X=30至X=50區(qū)域內,速度和壓力變化平緩,即前面部分高速區(qū)變化很小。這部分實際上為射流初始段,在射流初始段存在一個高速射流的等速核。隨著二次流的吸入,射流混合區(qū)在喉管內不斷發(fā)展,即這部分不斷卷吸周圍二次流介質,等速核逐漸減小,呈錐形向前發(fā)展。在一定區(qū)域,等速核消失,這時射流區(qū)基本結束。緊接著是混合區(qū)域,速度急劇下降,形成湍流混合,即圖5和圖6中軸向坐標X=50至X=80這段區(qū)域內所顯示的。根據(jù)文獻中的理論,如果在此處采用維多辛斯基曲線的噴嘴,等速核心區(qū)會略長于錐狀噴嘴,軸線上的速度會衰減得較慢,能量損失會較小,就可以達到最佳的節(jié)能效果。由圖7可見,壓力在噴嘴的喉部達到最低,而此時的速度接近臨界速度,即音速。(2)由圖8可以看出,工作流體中心與周圍的引射流體之壓差約為2.5×104Pa。圖8中,軸向坐標X=20至X=50區(qū)域內,理論上壓力應隨著速度的增大而逐漸減小,但是圖中卻顯示出壓力連續(xù)波動,這是因為混合室入口截面近壁處軸向速度減緩,引射流體和工作流體在混合初始階段速度相差較大,引起二次流卷吸,使局部區(qū)域出現(xiàn)了回流。隨著擴壓器中喉管內引射流體和工作流體混合的發(fā)展,兩者速度逐漸均勻,且徑向速度逐漸減小,回流也逐漸減小,直至消失。所以為了減小或者消除回流的影響,必須保證一定的喉管距離。(3)隨著擴壓器出口截面積的增大,軸向速度理論上應該逐漸減小,但是計算結果卻出現(xiàn)局部速度增大的情況具體情況如圖所示軸向坐標X=110處附近,速度出現(xiàn)峰值;圖7和圖8中,出現(xiàn)壓力的降低。這是由于流體在射流的管道內部并沒有完全膨脹,靠近出口截面的靜壓仍然大于環(huán)境壓力,所以在出口截面附近繼續(xù)膨脹。此時,由于截面面積的增大而導致的速度減緩完全被氣體膨脹所產(chǎn)生的速度增量所抵消,故軸線上的速度繼續(xù)加大直至完全膨脹。當氣流完全膨脹后,由于截面積增大而導致的速度減緩所產(chǎn)生的影響才顯現(xiàn)出來。如前所述,如果噴射器內部流道為維多辛斯基曲線的噴嘴,氣流就會在噴管中逐漸趨于完全膨脹,從而獲得均勻的出流速度場。(4)同樣,出口截面附近有局部區(qū)域出現(xiàn)回流現(xiàn)象,而在前述文獻的模擬結果中也有提及,但在其實驗中未測出這一較小的負速度區(qū),這就是本次分析的不夠完善之處,有待于進一步改進。(5)本文研究的是可壓縮軸對稱