多喷管两级式新型引射器分析

Internal Combustion Engine &Parts0引言引射器是利用射流的紊乱扩散作用，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设备，具有结构简单、安全性好、应用性强等特点，广泛运用于燃烧器、制冷器等工程领域。

早在19世纪末期，德国学者G1佐伊纳（Ze-uner ）和M1兰金（Rankine ）就开始了对引射器的理论研究，随着流体力学和空气动力学的发展，引射器广泛应用于工程领域。

索科洛夫[1]通过实验提出了引射器的设计公式及经验系数等的理论计算方法，对引射器的研究提供了依据，目前应用十分广泛。

游超林[6]等人分析模拟了多射流引射器的参数和引射器流动情况，并通过实验验证了部分参数，得出了fluent 软件的模拟结果较为可信的结论，为fluent 的应用提供了保障。

王锁芳[3]、兰健[7]等对多喷关引射器进行了性能分析，得到了引射系数ε的关系，可知多喷管引射器相对于传统引射器的引射系数有了很大提高。

而多级引射器则可使流体更好地均匀混合以减少能量损失，一般以两级为宜，如王时珍等[2]。

本文为进一步提高引射器的流体引射比、减少流体混合能量损失对引射器进行初步理论设计，提出一种新型多喷管两级式引射器模型，同时查阅相关文献整理分析获得相关物理参数（压强、流量）和结构参数（截面面积、喷管安装数目和位置）的数值，并建立数学模型，运用fluent 等仿真软件对上述关键结构参数进行数值分析和修正以获得最佳引射性能参数。

1创新方案设计1.1引射器性能评价指标①引射系数ε：表示单位工作流体所能抽吸的引射流体的能力大小。

即低压流体与高压流体质量流量之比。

ε=m l m h （1）式中：ε———引射系数；m h ———工作流体质量流量；m l ———引射流体质量流量。

②压缩比C r ：指工作压力P C 与引射压力P h 之比。

即C r =P C P h（2）③动量修正系数K m 是表征主、次流在混合管中混合程度的物理量。

1.2引射器结构创新设计针对现有引射器问题流体混合不均匀、能量损失大、引射系数低的问题，提出一种新型两级式多喷管引射器结构，以达到进一步减少能量损失、提高引射系数的目的。

①针对现有引射器只有一个进风口的现状，增加了一个进风口，并将其设置为对称分布，以增加进气量。

②在该引射器方案中，创新性的提出将多喷管引射器与两级式引射器相结合以达到节约能量的目的。

该设计方案主要对二级多喷管引射器在传统二级多喷管引射器的基础上将单喷管喷射改为多喷管喷射，采用3个喷嘴，3个喷嘴在混合室入口处均匀对称分布。

多喷管二级引射器结构如图1所示。

以理想气体作为引射介质，对于给定工况，低压气体和高压气体状态参数分别是：根据索科洛夫在文献[1]中的引射器结构尺寸的经验结构计算公式，利用MATLAB 编写计算程序得出引射器混合室长度，混合室直径扩压室长度、锥角等参数，如表1所示。

2建模2.1多组分运输模型和控制方程多喷管两级式新型引射器分析李强;华新禹;吴恩康;吴江川;段昱（重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074）摘要:针对传统引射器流体混合程度不均匀、能量损失大、引射效率低的问题，提出一种新型多喷管两级式引射器模型，本结构模型一方面增加了一个进风口，并将其设置为对称式；另一方面创新性的将多喷管引射器与两级式引射器相结合；并建立数值仿真模型，对其关键结构参数与引射性能之间的相关性进行分析，以提升其引射性能。

结果表明引射系数随混合室长度的增加先增加后降低，在L=13mm 时有最优引射系数，约为0.68；引射系数随混合室直径增加先增加后降低，在D=5mm 时有最优引射系数，约为0.65；引射系数随工作流体入口速度增大而先急剧增大后保持平缓、变化不敏感。

本结构模型能够有效的提升引射系数，降低能量损失。

关键词:多喷管两级式引射器；引射系数；fluent；数值模拟图1引射器结构示意图表1模型结构参数本文利用fluent 进行数值模拟，采用多组分运输模型，要用到4个方程[1]，即连续性方程，动量守恒方程，能量守恒方程，组分输送方程。

形式如下：①能量守恒定律：（1）式中：i p —在喷射器前高压流体的焓，kJ/kg ；i n —在喷射器前引射流体的焓，kJ/kg ；i e —在喷射器之后混合流体的焓，kJ/kg 。

②质量守恒定理：m e =m l +m h （2）式中：m l 为低压流体质量流量，kg/s ；m h 为高压流体质量流量，kg/s ；m e 为混合流体质量流量，kg/s 。

③动量定理（3）式中：w ha ———在混合室入口截面上工作流体的速度，m/s ；w la ———在混合室入口截面上引射流体的速度，m/s ；w b ———在混合室出口截面上混合流体的速度，m/s ；P ha ———在混合室入口截面上的工作流体的静压力，N/m 2；f af b∫pdf —在a-a 和b-b 截面之间作用于混合室壁面上力的冲量的积分；f b ———在混合室出口处混合流体的截面积，m 2；f la ———在进入混合室时低压流体的截面积，m 2；f ha ———在进入混合室时高压流体的截面积，m 2；p b ———在混合室出口截面上混合流体的静压力，N/m 2；p la ———在混合室入口截面上低压流体的静压力，N/m 2。

④组分输送方程[8]（4）式中：D s ———组分S 在水体中的扩散系数；c s ———组分的体积浓度；ρc s ———组分的质量浓度；S s ———组分的生产率。

2.2计算网格及边界条件①网格的划分。

根据本文引射器的周期性与对称性，因此可应用轴对称模型、周期性网格求解，用Gambit 软件进行网格的划分。

②设置模型边界条件。

选用模型：由于是两种气体混合，故采用多组分运输模型将气相设置成多种物质，每种物质以不同的质量分数体现。

速度边界：采用速度入口甲烷初始速度为200，空气初始速度为0，inlet1甲烷组分为100%，inlet2空气组分为100%。

壁面边界：由于本文中气体流动为粘性流动且流体流动时喷射器是静止的，因此选择无滑移固壁边界条件，壁面处流体的速度为0。

3结果分析3.1混合室长度对引射系数的影响在研究混合室长度对引射性能的影响的数值模拟中，保持操作参数、边界条件和流体的物性不变，对混合式的长度作如下在分析：在不改变混合室直径的基础上改变混合室的长度。

本文针对混合室长度分别为10、13、16时对喷射器的性能进行模拟。

如图3、4、5所示，随着混合室长度的增加流体的速度云图分布规律总体变化不大。

再结合图2，混合室长度由10mm 增加至13mm 时，引射系数呈现略微上升趋势；由13mm 增至16mm 时，引射系数缓慢下降，引射系数基本维持在0.65附近，即混合室的长度对引射器的引射性能影响不是很大。

3.2混合室直径对引射系数的影响对于混合室直径对引射器性能的影响，同样保持操作参数、边界条件和流体的物性不变，其他部件的相对位置及尺寸也不变，调节混合室直径从4.5mm 到7.5mm 。

如图6所示，混合室直径由4.5mm 到7.5mm 的过程中，引射系数先急剧上升，后缓慢下降。

在4.5mm 到5mm 的上升阶段，引射系数显著增加，从0.55增加到0.66。

随着混合室直径的再增加，引射系数开始缓慢下降，从5mm 增加到7mm 阶段，引射系数从0.66下降到0.49。

而在混合室直径大约为5mm 时取得最佳直径，引射系数达到最大值。

如图7、8、9所示，当D=5mm 时，混合室速度最高，入口压差最大，卷吸效果最好，且由于混合室的突然扩大，高速流体受到低速流体的牵引，工作流体与引射流体得到了图3L=10mm图4L=13mm图5L=16mm图2混合室长度对引射系数的影响引射系数混合室长度（mm ）Internal Combustion Engine &Parts充分混合，混合效果较好，能量损失最小。

当D=6mm 时，混合室内气体的流速过小，流体混合不充分，引射效果不明显。

当D=7.5mm 时，混合室前流体激变最为强烈，能量损失大，引射效果较差。

3.3壁温对引射系数的影响选取多组不同壁温进行模拟，分析发现，壁温改变，气体引射压力、流量几乎不会发生改变，引射系数也近似不变。

引射系数随壁温变化如表2。

根据表2中数据，在200-400K 内，引射系数在0.65附近，近似不变，因此，可推断，在较大温度范围内，壁温对引射系数的影响可忽略不计。

3.4速度入口对引射系数的影响确定最优的几何结构，设置混合室长度为13，直径为5，改变速度入口速度，保持其它操作参数不变。

分别对速度为45、50、55、60、70、80时的情况做模拟分析，结果如图10所示。

气体速度从40-50时，引射系数有明显的上升变化，当速度继续增加到90，引射系数略微增加，上升不明显。

即速度小于50时，气体混合不充分、能量损失大，引射系数低；当速度大于50后，引射系数缓慢增大，到达一个稳定值0.7后将不再增加。

此时流体卷吸效果好，混合更加充分，能量损失低，引射系数较大。

4结论本文创新性的提出一种两级式多喷管新型引射器结构模型，并用数值模拟的方法对其性能进行分析和提升。

不断模拟引射器的工况，分别改变混合室长度与直径以获得较佳的引射系数，从而对引射器的结构进行优化改进。

通过对微型引射器内部流场分析，得出引射系数随几何结构变化关系，主要结论如下：①当混合室长度逐渐增加至13mm 左右，引射系数呈现平缓的增加；在L=13mm 时，引射系数有最优值，最优值约为0.68；当混合室长度大于13mm 时，引射系数随混合室长度的增加而降低。

②当混合室直径小于5mm 时，随着混合室直径的增大，引射系数逐渐增大；在D=5mm 时引射系数有最优值，最优值约为0.65；当混合室直径大于5mm 时，引射系数随混合室直径增大而降低。

③针对本结构模型，改变壁面温度，引射系数近似不变，该引射器温度适用范围较广；当工作流体入口速度低于50m/s 时，引射系数随入口速度变化明显，当入口速度大于80m/s 后，引射系数对流体速度的变化不敏感，引射效果较好且能保持一个相对稳定的值，因此本结构适用于多种不同流速的工作条件。

参考文献:[1]索尔洛夫.喷射器[M].北京:北京科学出版社，1977.[2]王时珍.两级吸入式高效高引射系数引射器[J].力学学报，1980（4）：413-419.[3]王锁芳，李立国.多喷管引射器的性能分析[J].南京航空航天大学学报，1996，28（3）：350-356.[4]王锁芳，李立国.六喷管超高速引射器性能的理论分析和实验研究[J].航空动力学报，1996，11（3）：312-314.[5]余志宏.基于Fluent 的喷射器数值模拟与结构优化研究[D].江苏：江南大学，2011：45-49.[6]游超林.多射流引射器的数值模拟[J].煤气与热力，2010（6）：54-57.[7]兰健，吕田，金永星，周建明.多喷孔引射器性能数值研究[J].柴油机，2016（2）：48-53.[8]谭升魁，王锐，安瑞冬，李嘉.基于组分输运模型和RNG k-ε模型的浑水异重流数学模型研究及其应用[J].四川大学学报，2011（A1）：48-53.[9]徐凯敏.多级节能型两相流喷射器:中国，201220419403.6[P].2012-08-21.[10]黄景博.一种三级多喷管中心引射器：中国，201210544053.0[P].2012-12-11.图7D=5mm图8D=6mm图9D=7.5mm表2引射系数随壁温变化关系（温度单位K ）壁温200250300350400引射系数0.6580.6620.6600.6570.661图6混合室直径对引射系数的影响引射系数混合室直径（mm ）图10入口速度对引射系数的影响入口速度（m/s ）。