喷射器的结构设计及变工况模拟分析

 樊盼盼 王晓 姜瑞

 东南大学能源与环境学院

摘要：本文结合喷射器的特性曲线方程，根据喷射器结构尺寸的计算方法编程，计算出初始条件下喷射器的具体尺寸，并根据计算结果建立喷射器模型，依次改变工作流体、引射流体和出口压力，运用Fluent模拟实际运行过程中工况改变对喷射器性能的影响。

关键词：喷射器结构设计变工况模拟

0  引言

 喷射器是一种利用流体传递质量及能量的设备，它的突出优点是无机械运动部件，且具有体积小、寿命长、成本低廉、操作维修方便等优势，在制冷、发电厂、供暖、化学等方面得到了广泛的应用。对喷射器的研究早期主要以《喷射器》为指导。童永春等对喷射器内部流场的不均匀性进行了修正，得到了喷射器的设计方法。刘爱萍推导出各个变量对喷射系数影响的数学表达式。本文结合喷射器的特性曲线方程，总结出喷射器结构尺寸的计算方法，根据计算方法编程，得出初始条件下喷射器的具体尺寸，并根据计算结果利用Gambit建立喷射器模型，依次改变工作流体、引射流体和出口压力的数值，运用Fluent进行模拟，研究实际运行过程中工况改变对喷射器性能的影响。

1  喷射器的结构设计

  喷射器（图1）是利用射流的紊流扩散作用，使不同压力的两股流体相互混合，并引发能量交换的流体机械和混合反应的设备。进入装置前，压力较高的流体叫做工作流体，其以很高的流度从喷嘴流出，进入接受室，由于射流的紊流扩散作用，卷吸周围的流体而发生动量交换，被吸走的压力较低的流体叫引射流体。

喷射器的特性曲线方程，方程式为

合室入口段的速度系数，混合室速度系数。

 根据索科洛夫的《喷射器》一书以及所介绍的喷射器计算方法，总结出喷射器结构的设计方法。并运用迭代算法，编写了喷射器结构尺寸理论计算程序。

 本文中计算初始参数取自某采暖装置与热力管网连接处的喷射器运行参数：工质为水，工作流体压力pp为9.81 bar，引射流体压力Ph为1.962 bar，扩散室出口压力即混合压力p c为2.943 bar，混合流体质量G c为27.8 kg/s，流体比v p=v h=v c=0.001 m3/kg。

 将所需参数输入到程序界面（图2）中，运行程序即可得到喷射器的结构尺寸。可得出初始条件下喷射器最佳截面比为7.0395；吸收室长度0.34807 m;介于吸入室与混合室之间的渐缩入口0.102 m。

2  用CFD模拟变工况情况下喷射器的性能变化

 根据计算所得的喷射器结构尺寸建立模型(图3)，运用Fluent进行模拟，模型建立如下：

 工作流体人口采用压力进口边界条件，因为速度进口不适用于可压流，而质量进口条件的收敛性不如压力进口。本文中含有湍流模型，还必须定义湍流参数。引射流体入口采用压力进口边界条件。混合流体出口采用压力出口边界条件，需要指定出口边界处的静压。壁面边界条件采用无滑移绝热壁面。

 考虑到在混合段人口截面处，引射流体速度与工作流体的速度相比较小，故可以将引射流体的侧向入口简化成为轴向环形入口，忽略被径向引射的流体对吸入室的扰动，从而便可以将三维模型简化成为二维的轴对称模型进行计算分析。K．Pianthong等人将二维和三维模型模拟的结果进行了比较，发现两种方法沿轴线静态压力分布的计算结果比较一致。在模型建立过程中将中心边界做为对称轴，各变量在对称轴法线方向的梯度及垂直于对称轴的速度为零，采用对称边界条件，可以避免求解整个计算域，从而使求解规模缩减到整个问题的一半。

 在实际工作过程中，喷射器运行工况经常会发生变化，故针对工作流体、引射流体以及出口压力变化对喷射器性能的影响进行了模拟研究。

2.1工作流体压力变化

 在模拟过程中，引射流体压力为1.962 bar，扩散室出口压力即混合压力为2.943 bar。由于工作压力低于引射流体压力或者出口压力，喷射器均无法正常工作，故在研究过程中只研究喷射器能保持正常工作的压力变化范围。工作流体压力从0.5变化到3.0 M Pa，喷射器内部压力场变化、速度场变化以及喷射系数变化如图4-6所示。

 从图中可以看出，在研究压力范围内，随着工作流体压力的升高，喷射系数不断增大，但是增长速度越来越缓慢，甚至有趋于不变或者降低的趋势，虽然出口质量流量不断增加，但是提升工作流体压力比较困难，所以工作流体压力选在1.0~1.5 M Pa之间，系统经济性最好。而且从压力场和速度场分布图来看，工作流体压力较低时其抽吸能力不足，流体流量较低；而工作流体压力较高时，喷嘴出口压力过高，到混合室出口工作流体和引射流体仍然没有混合均匀，压力场和速度场不稳定，工作流体压力过高时，出口流量开始发生震荡，出口速度过高，故工作流体压力应尽量保持在1.0～1.5 M Pa之间。

2.2引射流体压力变化

 在模拟过程中，工作流体压力为9.81 bar，扩散室出口压力即混合压力为2.943 bar。由于引射流体不能高于工作流体压力，故选择引射流体压力从0.05变化到0.5 M Pa，喷射器内部压力场变化、速度场变化以及喷射系数变化如图7～9所示。

 从图中可以看出，喷射系数随着引射流体压力的升高而增大。这是由于随着引射流体压力的提高，增加了引射流体进入混合室的推动力，混合流体的能量提高。不过随着引射流体压力的提高，喷射系数增加越来越缓慢，而且过高时，会导致喷射器出口压力以及流量不稳定，故引射压力不能过低，但是也不能超过0.35 M Pa，否则会影响喷射器性能。

2.3混合流体压力变化

 在模拟过程中，工作流体压力为9.81 bar，引射流体压力为1.962 bar。出口压力高于工作流体压力喷射器无法正常工作，故研究混合压力从0.15变化到0.55 M Pa，喷射器内部压力场变化、速度场变化以及喷射系数变化如图10～12所示。

 从图中可以看出，出口流量随着出口压力的升高而减小。随着出口压力的逐渐升高，喷射系数刚开始变化不大，但是超过某一点时，下降速度变快，压力过高时，喷射系数出现负值，流体从引射进口流出，而且混合室内部速度场和压力场均不稳定，混合室出口流体仍未混合均匀，出口流量和速度均不稳定，故混合压力取在0.3～0.35 M Pa之间最合适。

3  结论

 文中首先介绍了喷射器的基本结构和工作原理，根据初始条件计算出喷射器的结构尺寸。然后建立喷射器模型，模拟变工况对喷射器性能的影响。从模拟结果可以看出：随着工作压力的升高，喷射器系数先增大，然后趋于不变甚至降低，工作流体压力较低时，流体流量较低，而压力较高时，内部压力场和速度场不稳定，出口流量开始发生震荡；喷射系数随着引射流体压力的升高而增大，不过增加越来越缓慢，压力过高时，喷射器出口压力以及流量不稳定；随着出口压力的升高，出口流量逐渐减小，喷射系数刚开始变化不大，但是超过某一点时，下降速度变快，压力过高时，喷射系数出现负值且混合室内部速度场和压力场均不稳定，出口流量和速度均不稳定。