噴射器的研究現(xiàn)狀

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(jì)50年代至60年代廣泛應(yīng)用于行業(yè)中。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、安裝維修方便、密封良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(dòng)擴(kuò)散作用來(lái)傳遞能量和質(zhì)量的流體機(jī)械和混合反應(yīng)設(shè)備。它由噴嘴、喉管入口、擴(kuò)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(dòng)擴(kuò)散作用,與周圍被吸流體發(fā)生動(dòng)量交換,這兩股流體在喉管入口段及喉管內(nèi)混合,進(jìn)行能量和質(zhì)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(kuò)散管將混合流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能,壓力進(jìn)一步升高,流體沿排出口被輸送到用戶中去。2噴射器的評(píng)價(jià)模型噴射器是依靠射流使流體質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生相互撞擊來(lái)傳遞能量的在混合過程中產(chǎn)生大量旋渦,在喉管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦損失以及在擴(kuò)散管中產(chǎn)生擴(kuò)散損失,所有這些都會(huì)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(dǎo)致生產(chǎn)成本提高,效率降低。隨著節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境日益得到人們的重視,對(duì)改善噴射器結(jié)構(gòu)和提高其性能的研究,越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。目前,對(duì)噴射器的理論研究尤其是對(duì)噴射過程的深入研究,還很缺乏。由大連理工大學(xué)沈勝?gòu)?qiáng)等編寫的《噴射式熱泵的設(shè)計(jì)計(jì)算和性能分析》介紹了噴射器設(shè)計(jì)的一維分析理論及方法。這一理論對(duì)噴射器的設(shè)計(jì)起了重要作用,但它對(duì)噴射器內(nèi)的流動(dòng)過程未能作出描述,不能分析影響噴射流動(dòng)的因素,其分析結(jié)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(cè)試儀測(cè)試對(duì)噴射器二維模型進(jìn)行分析研究,能對(duì)噴射器內(nèi)流動(dòng)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(wú)法解決、實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量到的現(xiàn)象。對(duì)于噴射器來(lái)說,其結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)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(zhǎng)度、擴(kuò)散管角度、噴嘴與喉管面積比等,各個(gè)參數(shù)對(duì)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(shè)備的運(yùn)行狀況也直接影響其效率和性能。本文主要對(duì)噴射器性能進(jìn)行綜合分析,尤其是運(yùn)用流體模擬計(jì)算對(duì)噴射器的噴嘴、混合室、擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)以及各部分尺寸對(duì)其性能的影響進(jìn)行分析,從而對(duì)噴射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。3擴(kuò)壓器生長(zhǎng)過程噴射器的工作過程很復(fù)雜,為了便于分析,作如下假設(shè):(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(kuò)壓器喉部入口間為等壓混合;(3)流體在擴(kuò)壓器喉部發(fā)生正激波;(4)壓縮氣體及被抽氣體在泵內(nèi)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(kuò)壓器的混合室內(nèi)。由于空氣流處于高速狀態(tài),而壓力則降得較低,同時(shí)還降溫,這就使吸入室內(nèi)形成負(fù)壓。此時(shí),被抽氣體被吸進(jìn)混合室。本文采用流體數(shù)值模擬軟件ANSYS(FLOTRAN)對(duì)噴射器內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行模擬,并對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。3.1噴射器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)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(biāo)p代表工作介質(zhì),h代表引射流體。工作介質(zhì)和引射流體均為空氣本文研究的噴射器結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。計(jì)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(zhì)和引射流體各自流動(dòng)而不混合。由流體力學(xué)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(dǎo)出噴嘴喉部直徑d0為2mm,從而得出其余結(jié)構(gòu)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(duì)其加密劃分網(wǎng)格,見圖3。然后,對(duì)其進(jìn)行加載和約束,見圖4。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-X模型。在求解過程中應(yīng)逐步將人工粘性減小,直至為零;動(dòng)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(dāng)調(diào)整穩(wěn)態(tài)控制設(shè)置中的執(zhí)行次數(shù),最終得到分析結(jié)果。4網(wǎng)絡(luò)壓量的模擬結(jié)果(1)根據(jù)圖5和圖6的分析結(jié)果,軸向坐標(biāo)X=30至X=50區(qū)域內(nèi),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(shí)際上為射流初始段,在射流初始段存在一個(gè)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(nèi)不斷發(fā)展,即這部分不斷卷吸周圍二次流介質(zhì),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(shí)射流區(qū)基本結(jié)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(biāo)X=50至X=80這段區(qū)域內(nèi)所顯示的。根據(jù)文獻(xiàn)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(huì)略長(zhǎng)于錐狀噴嘴,軸線上的速度會(huì)衰減得較慢,能量損失會(huì)較小,就可以達(dá)到最佳的節(jié)能效果。由圖7可見,壓力在噴嘴的喉部達(dá)到最低,而此時(shí)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(biāo)X=20至X=50區(qū)域內(nèi),理論上壓力應(yīng)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(dòng),這是因?yàn)榛旌鲜胰肟诮孛娼谔庉S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(kuò)壓器中喉管內(nèi)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(kuò)壓器出口截面積的增大,軸向速度理論上應(yīng)該逐漸減小,但是計(jì)算結(jié)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(biāo)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(nèi)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(shí),由于截面面積的增大而導(dǎo)致的速度減緩?fù)耆粴怏w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(dāng)氣流完全膨脹后,由于截面積增大而導(dǎo)致的速度減緩所產(chǎn)生的影響才顯現(xiàn)出來(lái)。如前所述,如果噴射器內(nèi)部流道為維多辛斯基曲線的噴嘴,氣流就會(huì)在噴管中逐漸趨于完全膨脹,從而獲得均勻的出流速度場(chǎng)。(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(xiàn)的模擬結(jié)果中也有提及,但在其實(shí)驗(yàn)中未測(cè)出這一較小的負(fù)速度區(qū),這就是本次分析的不夠完善之處,有待于進(jìn)一步改進(jìn)。(5)本文研究的是可壓縮軸對(duì)稱