结构参数对大气喷射器性能影响的数值模拟研究

喷嘴结构对高压水射流影响及结构参数优化设计1韩启龙，马洋(第二炮兵工程大学 动力工程系， 陕西 西安 710025)摘要：喷嘴是产生高压水射流的关键部件，其结构形式对射流动力学性能有很大影响。

以圆柱形喷嘴为对象，进行喷嘴结构对高压水射流的影响分析及结构参数优化设计。

采用两相流计算流体力学模型进行喷嘴内外的射流流场分析。

为节省计算资源，在优化设计时引入Kriging 代理模型替代计算流体力学模型。

分别采用改进的非劣分类遗传算法（Nondominated Sorting Genetic Algorithm, NSGA-II ）和基于分解的多目标进化算法（MultiObjective Evolutionary Algorithms based on Decomposition, MOEA/D ）进行单目标和多目标优化设计。

研究结果表明：直线型喷嘴总体性能较优，凹型喷嘴次之，凸型喷嘴性能最差。

以直线型喷嘴为设计对象，以射流初始段长度和流量为目标，得到了单目标和多目标优化设计结果，单目标优化时，两个指标较基准外形分别提高14.71%和27.56%。

多目标优化时，优化得到的半锥角处于[15.4 , 89.8 ]区间上。

基于代理模型和进化算法的全局优化方法在进行喷嘴的优化设计时是有效的。

关键词：高压水射流；喷嘴；全局优化；两相流；代理模型；MOEA/D 中图分类号：V411 文献标志码：A 文章编号：Influence of nozzle structure on high pressure water jet andoptimization design of nozzle structure parameterHAN Qilong, MA Yang(Second Artillery Engine ering University, Xi’an 710025, China ）Abstract : Nozzle is the crucial component used to generate high pressure water jet, and its structure form has large influence on dynamic performance of high pressure water jet, so the influence of nozzle structure on high pressure water jet is analyzed, and the optimization design of nozzle structure parameter is implemented in this paper. Two phase flow computational fluid dynamics model is employed to analyze flow field. The Kriging surrogate model is used to replace the computational fluid dynamics model in the process of optimization design for reducing the computational resources. The Nondominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) and MultiObjective Evolutionary Algorithms based on Decomposition (MOEA/D) are respectively employed to carry out single and multi objective optimization design. The research results were summarized as follows. First, the general capability of line-form nozzle was the best, then the concavity-form nozzle, and the protruding-form nozzle has the worst capability. Second, the single and multi objective optimization design of line-form nozzle was implemented, in which core zone length and mass flux of water jet were taken as optimization objectives. Compared to the baseline, the two indexes increased by 14.71% and 27.56% respectively after the single objective optimization. The optimal semi-cone angle after multi objective optimization located on [15.4 , 89.8 ]. Third, the global optimization algorithm based on surrogate model and evolutionary algorithm was proved to be effective. Key words: high pressure water jet ；nozzle ；global optimization ；two phase flow ；surrogate model ；MOEA/D1收稿日期：2015-11-20基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（E031303）第二炮兵工程大学科研基金青年项目（2015QNJJ034）作者简介：韩启龙（1979－），男，甘肃宁县人，硕士，副教授，E-mail ：longfeng.061106@马洋（通讯作者），男，湖南澧县人，博士，讲师，E-mail ：mldy0612@由于具有清洗质量好、清洗速度快、绿色环保、安全性能高等优点[1]，高压水射流在固体发动机推进剂的清洗和切割中具有很好的应用前景[2,3]。

蒸汽喷射器混合室两相流动的数值模拟武洪强;刘中良;李艳霞;付维娜;汤永智;石灿【摘要】应用适用于跨声速流动的湿蒸汽两相流模型对蒸汽喷射器内流体的流动进行了数值模拟研究.重点研究了蒸汽喷射器混合室内流体的流动过程,并比较了采用湿蒸汽模型和理想气体模型计算结果差异.研究结果表明,湿蒸汽模型中,蒸汽喷射器引射系数略高于理想气体模型的,混合室内喷嘴出口和引射蒸汽入口附近激波产生的局部高压明显小于理想气体模型的,工作蒸汽速度、温度的降低也要比理想气体模型的小.%Fluid flow in steam jet ejector was simulated by employing wet steam model for transonic flow. The study focused on fluid flow in mixing chamber of steam jet ejector and compared difference in simulation results between ideal gas and wet steam models. Higher entrainment ratio of steam jet ejector, smaller localized high pressure produced by shock waves near nozzle outlet and ejector inlet, and less reduction in velocity and temperature of primary steam were observed in wet steam model than in ideal gas model.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2017(068)007【总页数】7页(P2696-2702)【关键词】蒸汽喷射器;混合室;凝结;湿蒸汽模型;引射系数;气液两相流;数值模拟【作者】武洪强;刘中良;李艳霞;付维娜;汤永智;石灿【作者单位】北京工业大学环境与能源工程学院,强化传热与过程节能教育部重点实验室,北京 100124;北京工业大学环境与能源工程学院,强化传热与过程节能教育部重点实验室,北京 100124;北京工业大学环境与能源工程学院,强化传热与过程节能教育部重点实验室,北京 100124;北京工业大学环境与能源工程学院,强化传热与过程节能教育部重点实验室,北京 100124;北京工业大学环境与能源工程学院,强化传热与过程节能教育部重点实验室,北京 100124;北京工业大学环境与能源工程学院,强化传热与过程节能教育部重点实验室,北京 100124【正文语种】中文【中图分类】TQ026.2蒸汽喷射器是一种广泛应用于石油、化工、制冷以及食品工业的重要设备。

《基于拉瓦尔效应的气水两相喷雾数值模拟研究》篇一一、引言气水两相喷雾研究在诸多领域，如农业喷灌、燃烧工程、化学喷涂等均有重要应用。

其中，拉瓦尔效应的利用对两相流喷嘴的喷雾效果起到决定性影响。

本研究将采用数值模拟的方法，深入探讨基于拉瓦尔效应的气水两相喷雾过程及其特性。

二、拉瓦尔效应及气水两相喷雾理论基础拉瓦尔效应是一种基于流体力学原理的现象，即当气流在管道中加速到一定速度后，可以有效地减小或完全消除流动阻力。

气水两相喷雾则是指气体和液体在喷嘴中混合并形成雾状喷射的过程。

这两者结合，可以有效地提高喷雾的效率和效果。

三、数值模拟方法及模型建立本研究采用先进的数值模拟方法，通过建立气水两相喷雾的物理模型和数学模型，对基于拉瓦尔效应的喷雾过程进行模拟。

具体包括：1. 物理模型的建立：根据实际喷嘴的结构和运行条件，建立相应的物理模型。

2. 数学模型的建立：基于流体动力学原理，建立气水两相流的控制方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。

3. 数值模拟方法的选择：采用合适的数值模拟方法，如有限元法、有限差分法等，对模型进行求解。

四、模拟结果与分析通过对模型进行数值模拟，我们得到了基于拉瓦尔效应的气水两相喷雾的各种特性参数，如喷雾的形状、速度分布、颗粒大小等。

并对其进行分析，得到以下结论：1. 拉瓦尔效应对气水两相喷雾的形状和速度分布有显著影响。

在适当的条件下，拉瓦尔效应可以有效地提高喷雾的均匀性和覆盖范围。

2. 颗粒大小对喷雾效果也有重要影响。

在一定的范围内，颗粒大小越小，喷雾的覆盖率和吸收效率越高。

3. 通过优化喷嘴结构和运行参数，可以进一步提高基于拉瓦尔效应的气水两相喷雾效果。

五、结论与展望本研究通过数值模拟的方法，深入探讨了基于拉瓦尔效应的气水两相喷雾过程及其特性。

结果表明，拉瓦尔效应对气水两相喷雾的形状、速度分布和颗粒大小等均有显著影响。

这为进一步优化喷嘴结构和运行参数，提高喷雾效果提供了重要的理论依据。

数值计算方法在引射器设计中的应用研究摘要：由于引射器结构复杂，在工程设计中使用一般的工程算法会带来繁重的计算工作量，难以满足工程需求。

为解决该问题，本文以介质为空气的引射器为研究对象，通过研究数值计算方法原理，提出了数值计算在引射器设计中的应用方法，并给出了较为程式化的引射器设计步骤。

通过对比分析理论计算出的最小喉部截面流量值，验证了数值计算在引射器设计应用中具有较高的准确性。

关键词：引射器；数值计算；中心流；压比1.引言在引射器设计中，由于其结构复杂，设计计算工作量相当大，就一般的工程算法而言，求解一个工作状态下的气流参数，也只能给出一个特征截面上的参数。

根据引射器不同的用途及优化设计的要求，需要给出引射器不同状态下各个截面上的参数[1-4]，这种情况下，传统的工程算法就难以满足要求。

在此背景下，以介质为空气的引射器为研究对象，重点分析数值计算方法在引射器设计中的实际应用，给出引射器数值计算程序。

通过对某引射器的引射比等性能参数进行数值计算，并对比理论计算值，验证引射器数值计算方法的准确性。

1.数值计算方法原理按照工程算法，对一个引射器，首先要计算其中心流的参数。

对于气体而言，经过中心流喷口的气流状态与喷口前后的压比有关。

如压比大于1.89，则气流会加速到音速，喷口处的气流处于阻塞状态，此时其流量完全取决于喷口的面积及喷口前气体的总压和总温，而与喷口后背压无关。

而气流经过喷口后，由于引射腔的扩张及其气体边界限制使扩张的气体自然形成一种扩散的拉瓦尔喷管，并继续加速到超音速[5-6]。

气流经过引射器的流场如图1所示。

如压比小于1.89，则气流以低于音速的速度喷出，再逐渐减速。

图1 气流经过引射器的流场由于引射器中心流的参数并不能反映引射器的主要性能参数，所以必须对其包括外部被引射流在内的所有流动情况进行研究计算，才能分析各种工况下的引射器性能[7-8]。

1.引射器数值计算方法下面以某引射器为算例来具体说明数值计算的应用方法。

大连理工大学硕士学位论文蒸汽喷射器三维流场的数值模拟计算与分析姓名：***申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：李素芬;沈胜强20000601摘要ｒ气体喷射器作为一种节能装置，可回收大量余热，起到了节能和环保的双重作用，在工业部门中得到广泛应用。

其内部经历着复杂的多维湍流流动过程，而其中喷嘴更是决定喷射器是否正常工作的关键部件。

ｊ本文在详细分析喷射器内部流动的基础上，建立了三维湍流流动的数值模拟计算模型，并主要对喷嘴的流场进行了详细的计算分析。

本文主要内容有：１、深入分析了ＫＩＶＡ系列程序与相关的ＣＦＤ理论方法，结合气体喷射器喷嘴的流动特点，建立了喷射器喷嘴复杂流场结构的三维数值模拟计算模型和计算方法，并应用于喷射器喷嘴稳态流场的数值模拟计算中。

２、根据气体喷射器结构和特点建立了喷射器整体及喷嘴通用计算网格的生成方法，并编制了相应的计算网格生成程序。

其网格生成方法及程序适用于各种结构及尺寸的喷嘴和喷射器，充分体现了其灵活性和实用性。

３、运用本文开发的通用计算网格生成程序结合三维流场数值模拟计算程序，针对不同的边界条件和结构尺寸的喷嘴流场，进行了数值模拟计算，考察了以上各特性参数对喷射器内部流动的影响，并根据计算结构的分析提出了喷射器喷嘴设计的建议。

４、比较全面地考虑了各种不可逆因素（如摩擦、散热等）对流场各参数的影响，进一步完善了喷射器的研究■一一关键词：喷嘴、数值模拟、流场ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｓａｋｉｎｄｏｆｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｅｓｔｅａｍｅｊｅｃｔｏｒｃａｒｌｒｅｃｙｃｌｅａｇｒｅａｔｄｅａｌｏｆｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｉｔｐｌａｙａｇｒｅａｔｒｏｌｅｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ＳＯｉｔｉｓａｐｐｌｉｅｄｉｎｍａｎｙｉｎｄｕｓｔｒｙｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓ．Ｉｔｓｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｓｍｕｌｔｉ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ，ｔｒａｎｓｉｅｎｔ，ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ，ｓｕｂｓｏｎｉｃａｎｄｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｆｌｏｗｓ．Ａｎｄｔｈｅｎｏｚｚｌｅｉｓｔｈｅｋｅｙｏｆｔｈｅｅｊｅｃｔｏｒ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｅｘｐａｔｉａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｆｌｏｗｓｉｎｓｉｄｅｔｈｅｓｔｅａｍｅｊｅｃｔｏｒ，ａｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ，ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅ】．ａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉＳｕｔｉｌｉｚｅｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｎｏｚｚｌｅ．Ｔｈｅｍａｉｎｗｏｒｋｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：１．ＡｎａｌｙｚｅｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＫＩＶＡ一３ｃｏｄｅａｎｄＣＦＤｍｅａｎｓ．ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｎｏｚｚｌｅ，ａｐｒｏｇｒａｍｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｃｏｍｐｕｔｅｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｃｏｍｐｉｌｅｄ．２．Ａｐｐｌｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｂｏｄｙ·ｆｉｔｔｅｄｍｅｓｈｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｂｌｏｃｋ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍｅｔｈｏｄ，ａｃｏｍｍｏｎｐｒｏｇｒａｍｉｓｃｏｍｐｉｌｅｄ．Ｉｔｃａｎｂｅｎｏｔｏｎｌｙｕｔｉｌｉｚｅｄｏｎｔｈｅｅｊｅｃｔｏｒ，ｂｕｔｍａｎｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓ．３．Ｍｏｂｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｇｒｉｄｄｉｎｇｐｒｏｇｒａｍａｎｄｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｌ，ａｎａｌｙｚｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｆｌＯＷｆｉｅｌｄＯｆｔｈｅｎｏｚｚｌｅ，ｄｉｓｃｎｓｓｔｈｅｅｆｆｅＣｔｓｏｎｔｈｅｆｌＯＷ０ｆｖａｒｊ０ＵＳｂｏｕｎｄａｒＹＣＯｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅＳｉｚｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｐｒｅｓｅｎｔｐａｒｔｉｃｕｌａｒｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｎｏｚｚｌｅ．４．ＧｅｎｅｒａｌｌｙｃＯｎｓｉｄｅｒｔｈｅｉｎｆｅＣｔｉＯｎＳｏｆｍａｎＹｋｉｎｄＳＯｆｕｎｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅｆａｃｔｏｒｓ（ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｈｅａｔｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ），ａｎｄｍａｋｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｎｏｚｚｌｅｏｒｅｊｅｃｔｏｒｍｏｒｅｐｅｒｆｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｚｚｌｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｆｌｏｗｆｉｅｌｄ第一章绪论第一章绪论本章在查阅大－￥－文献的基础上．ｘｅａ－喷射器及：ｇ－数值－｝－Ｉ－算等研究领域的发展和概况进行了详细的综述，并概括出本文的主要内容。

第38卷第4期㊀东北电力大学学报Vol.38,No.42018年8月Journal Of Northeast Electric Power University Aug,2018收稿日期:2018-03-05基金项目:吉林省科技发展计划基金资助项目(20160203008SF)第一作者:曹丽华(1973-),女,博士,教授,主要研究方向:可再生能源发电与供热研究通讯作者:毕书扬(1992-),男,在读硕士研究生,主要研究方向:太阳能喷射制冷系统研究电子邮箱:clh320@(曹丽华);1532867012@(毕书杨)文章编号:1005-2992(2018)04-0047-06运行参数对喷射器性能影响的数值研究曹丽华,毕书扬(东北电力大学能源与动力工程学院,吉林吉林132012)摘㊀㊀㊀要:利用CFD 软件对太阳能喷射式制冷系统中喷射器进行研究,结果表明:在同一蒸发器出口压力和冷凝器入口压力下,喷射系数随发生器出口压力的升高先增加后减小;喷射系数与蒸发器出口压力成正比,与冷凝器入口压力成反比;在同一蒸发器出口温度和冷凝器入口温度下,喷射系数随发生器出口温度的升高先增加后减小;随蒸发器出口温度的升高和冷凝器入口温度的降低,喷射系数逐渐增加.关键词:喷射器;数值模拟;喷射系数;压力;温度中图分类号:TB65㊀㊀㊀㊀文献标识码:A太阳能喷射制冷是借助太阳能集热器把太阳能收集起来并转化成热能加以利用,每年辐射到地球上的太阳能总量巨大,但是品味质量较低,如果能充分利用,可以很大程度上促进节能减排[1~2].本文提出用喷射器代替常规制冷系统中的压缩机,由于该系统具有构造简单,运转可靠性高,运行寿命长等特点,且只有水泵和工质泵是运动部件,只消耗少量的电能,因此节能效果显著.与其它制冷系统不同,该制冷系统可直接利用水等环境友好型的制冷工质,从而避免对大气臭氧层的破坏,维护地球生态环境安全.可见,太阳能制冷系统既经济又环保,具有十分广阔的发展前景.近年来越来越多国内外学者投身于清洁能源的研究[3~4],尤其在太阳能喷射制冷系统方面取得了巨大进步.曹丽华[5]等对传统的平板集热器流道进行改进,把整体空腔流道改为蛇形流道,提高集热器效率.马国强[6]等用实验方式对太阳能喷射制冷过程进行研究,发现在一定的蒸发温度和冷凝温度的图1㊀太阳能喷射式制冷系统原理图条件下,喷射器对应一个最佳的发生条件.张博等[7]对不同的制冷剂进行研究,比较了水与R236fa 对喷射器性能的影响.邵天[8]的研究指出蒸汽喷射器的喷射系数达到最大时对应一个最佳的工作蒸汽压力和喷嘴喉部直径.杨启容等[9]的研究指出流线型结构的喷射器能减弱混合过程中的回流现象.李宇[10]分析了新型整流喷嘴结构对蒸汽喷射器操作性能的影响.Hosseinzadeh 等[11]利用CFD 软件对喷射器进行三维数值模拟,得出发生器出口存在一个最佳的工作条件.祁丽等[12]考虑了工作参数和结构参数对喷射器性能的影响.徐鑫等[13]利用Workbench 对喷射器内部流场进行分析,比较了不同压力下喷射器内部流场的变化.太阳能喷射式制冷系统的原理图,如图1所示.太阳能喷射制冷系统由太阳能集热器㊁发生器㊁水泵㊁喷射器㊁冷凝器㊁节流阀㊁蒸发器等组成.喷射器是对系统有着显著影响的核心组成部件,因此喷射器内部流场的数值模拟研究对于提高太阳能喷射制冷系统性能具有重要意义.本文根据不同的发生器出口压力㊁蒸发器出口压力㊁冷凝器入口压力㊁发生器出口温度㊁蒸发器出口温度㊁冷凝器入口温度等条件进行模拟,共得到75个模拟结果,在此基础上分析了这些运行参数对喷射器性能的影响,研究结果对喷射器性能的优化改进有一定的指导作用.1㊀喷射器的数值研究1.1㊀喷射器结构原理喷射器的结构,如图2所示[14].发生器出口流体经过缩放喷嘴形成超音速的射流,同时降低吸收室图2㊀喷射器平面布局图内的流体压力,进而对从蒸发器过来的流体产生泵吸作用.两股流体在接受室内混合成为单一均匀工质,在扩压室中减速扩压后达到一定的压力.冷凝器出口和蒸发器入口间形成压差,推动工质流动,从而达到制冷的目的.喷射系数μ是喷射器经济性的一个重要指标,当系统的运行参数发生变化时,喷射系数μ也会发生改变.喷射系数μ的定义如下:μ=mh (蒸发器出口质量流量)mp (发生器出口质量流量).1.2㊀控制方程喷射器内部的流体混合过程应满足连续性方程㊁动量方程和能量方程[15],具体如下:连续性方程:∂ρ∂t +∂(ρu j )∂x j=0.(1)㊀㊀动量方程:∂(ρu j )∂t +∂(ρu i u j )∂x j =-1a 2∂ρ∂x i -A 0∂∂x i 23ρk éëùû+∂σij ∂x j ,(2)式中:α为压力梯度换算方法的变量;A 0为层流和湍流的变量;k 为湍流动能;σij 为湍流粘性应力张量.能量方程:∂(ρE )∂t +∂[u i (ρE +p )]∂x i =∂∂x i K ∂T ∂x i-ðjᶄh jᶄJ jᶄ+u j τij æèöø,(3)式中:E 为比内能;K 为导热系数;J jᶄ为jᶄ组分的扩散通量.1.3㊀计算模型和网格划分考虑到发生器出口流速远大于蒸发器出口流速,可将蒸发器出口的侧向入口简化成轴向环形入口,从而利用简化的二维轴对称模型代替三维模型.在Autocad 中画出二维模型(如图2),并在Gambit 中采用四边形非结构化网格划分网格.84东北电力大学学报第38卷表1㊀四种网格数量下的计算结果模型网格数量喷射系数A 480100.558B 529960.567C 637660.537D 651410.535表2㊀求解模型和边界条件项目方法/符号流动模型湍流可压缩流湍流模型k -ε湍流模型近壁面处理函数标准壁面函数工作流体水蒸汽发生器出口条件压力进口条件/p P 蒸发器出口条件压力进口条件/p h 冷凝器入口条件压力出口条件/p c 图3㊀喷射系数随发生器出口流体压力的变化㊀㊀经过网格无关性验证,如表1所示.6万网格已达到计算要求,再增大网格数,对计算结果无影响.为此,本文选取网格数为63766.1.4㊀求解模型和边界条件计算过程中的湍流模型和边界条件,如表2所示.2㊀数值结果模拟分析2.1㊀发生器出口流体压力对喷射器性能的影响图3给出了当蒸发器出口流体压力p h 为0.07MPa,冷凝器入口流体压力p c 为0.16MPa 情况下,发生器出口流体压力p P 从0.30MPa 至0.90MPa 时,喷射系数随发生器出口流体压力的变化规律.由图3可知,当发生器出口流体压力不断增大时,喷射系数先增大后减小.当发生器出口流体压力p P 为0.30MPa 时,喷射系数μ=0.15.此时喷射器的内部流动还没有发展充分.发生器出口流体核心的动量和尺寸较小,只能抽进少量的循环工质.蒸发器出口流体的质量流量很小,导致喷射器的喷射系数较小.当发生器出口流体压力p P 从0.30MPa 到0.75MPa 时,喷射器的内部流动开始充分发展.当发生器出口流体压力p P 为0.75MPa 时,喷射器的内部流动发展最充分.此时发生器出口流体压力对应喷射器的最大喷射系数.当发生器出口流体压力p P 大于0.75MPa 时,发生器出口流体压力继续升高,发生器出口流体的动量和扩张区域继续增大,发生器出口流体的质量流量不断增大.但是,混合室圆锥段的截面面积和混合室的空间有限,过多的发生器出口流体会挤压蒸发器出口流体的流动空间,加大蒸发器出口流体抽进吸收室的难度,从而减少蒸发器出口流体的质量流量,导致喷射系数减小.而且,发生器出口流体压力过大会增加喷射泵部分的花费,影响喷射器的经济性.发生器出口流体压力p P 不同时喷射器内部的压力云图,如图4所示.图4㊀发生器出口流体压力不同时喷射器内部压力图94第4期㊀㊀㊀㊀㊀㊀曹丽华等:运行参数对喷射器性能影响的数值研究由图4可知,随发生器出口流体压力的升高,喷嘴出口处流体激波下降,在喷嘴出口处形成低压,而且压力梯度比较大,造成喷射器接受室部分的内部压力越来越小,导致更多的蒸发器出口流体吸入喷射器中,进而提高了喷射系数.图5㊀喷射系数随蒸发器出口流体压力的变化2.2㊀蒸发器出口流体压力对喷射器性能的影响图5给出了当发生器出口流体压力p P 为0.75MPa,冷凝器入口流体压力p c 为0.16MPa,蒸发器出口流体压力p h 从0.05MPa 到0.08MPa 时,喷射系数随发生器出口流体压力的变化规律.由图5可知,当发生器出口流体压力和冷凝器入口流体压力一定时,喷射系数随蒸发器出口流体压力的升高而升高.在喷嘴出口压力稳定的情况下,蒸发器出口流体压力增大,导致蒸发器出口流体的质量流量增大,蒸发器出口和喷嘴出口之间的压差图6㊀喷射系数随冷凝器入口流体压力的变化不断增大,更多的蒸发器出口流体被压入接受室中.因此,提高蒸发器出口流体压力可提高喷射系数.但在实际应用中,蒸发器出口流体压力往往由现场实际情况决定,不能一直增加,故一般不能考虑用提高蒸发器出口流体压力的方法来改变喷射器的性能.2.3㊀冷凝器入口流体压力对喷射器性能的影响图6给出了当发生器出口流体压力p P 为0.75MPa,蒸发器出口流体压力p h 为0.07MPa 时,冷凝器入口流体压力p c 从0.10MPa 到0.35MPa 变化的过程中,喷射系数随冷凝器入口流体压力的变化图7㊀喷射系数随发生器出口流体温度的变化规律.喷射器的工作状况可分为三个状态:分别是壅塞状态㊁亚临界状态和回流状态.由图6可知,当冷凝器入口流体压力小于临界压力时,喷射系数保持不变,喷射器处于壅塞状态.当混合流体压力大于临界压力,随冷凝器入口流体压力的增加,发生器出口流体的核心尺寸不断减小,抑制了蒸发器出口流体的吸入,导致喷射系数不断减小,此时为亚临界状态.直到喷射系数成为负值,喷射器便不能正常工作,此时为回流状况.另外基于制冷目的,原则上不应该出现冷凝器入口流体压力低于蒸发器出口流体压力的情况,应根据喷射器的实际工作状况选择适宜的冷凝器入口流体压力.2.4㊀发生器出口流体温度对喷射器性能的影响图7给出了当蒸发器出口流体温度T h 为418K,冷凝器入口流体温度T c 为433K 时,发生器出口流体温度T P 从483K 到533K 的变化过程中,喷射系数随发生器出口流体温度的变化规律.由图7可知,发生器出口流体温度T P 为483K 时,喷射系数μ=0.0915,是发生器出口流体温度变化范围内喷射系数的最低值.当发生器出口流体温度T P 从483K 升高至511K 时,喷射系数随发生器出口流体温度升高而升高.当发生器出口流体温度T P 从511K 继续升高至533K 时,喷射系数随发生05东北电力大学学报第38卷图8㊀喷射系数随蒸发器出口流体温度的变化器出口流体温度升高而降低.发生器出口温度T P 到达511K 时,喷射系数到达最大值.因此,发生器出口流体温度对喷射系数有极大地影响,盲目提高发生器出口流体温度不一定提高喷射系数.当发生器出口流体温度T P 为511K 时,喷射器性能达到最优.2.5㊀蒸发器出口温度对喷射器性能的影响图8给出了当发生器出口流体温度T P 为483K,冷凝器入口流体温度T c 为433K 时,蒸发器出口流体温度T h 从423K 到431K 的变化过程中,喷射系数随蒸发器出口流体温度的变化规律.图9㊀喷射系数随冷凝器入口流体温度的变化由图8可知,蒸发器出口流体温度T h 为423K时,喷射系数μ=0.3277,当蒸发器出口流体温度T h在423K 增加到431K 时,喷射系数是不断增大的,当蒸发器出口流体温度T h 达到431K 时,喷射系数达到最大值,此时μ=0.3367.因此,可通过提升蒸发温度来增大喷射系数,从而改善喷射器的工作状况.因为受到工作前提的限定,不能一直提高蒸发温度.2.6㊀冷凝器入口温度对喷射器性能的影响图9给出了当发生器出口流体温度T P 为483K,蒸发器出口流体温度T h 为418K 时,冷凝器入口流体温度T c 从438K 到445K 的变化过程中,喷射系数随冷凝器入口流体温度的变化规律.冷凝器入口流体温度T c 为438K 时,喷射系数μ=0.4423.当冷凝器入口流体温度T c 从438K 增加到445K 时,喷射系数是不断减小的.当冷凝器入口流体温度T c 为445K 时,喷射系数μ=0,此时喷射器已不能正常工作.因此要想保持喷射器的正常工作,必须使冷凝器入口流体温度T c 小于445K.3㊀结㊀㊀论(1)蒸发器出口流体压力和冷凝器入口流体压力一定时,发生器出口流体压力存在一个最优值.发生器出口流体压力小于最优压力时,喷射系数随发生器出口流体压力升高而增加,发生器出口流体压力大于最优压力时,喷射系数随发生器出口压力的升高而降低.(2)发生器出口流体压力和冷凝器入口流体压力一定时,喷射系数随蒸发器出口流体压力的升高而增加.但是在实际应用中,蒸发器出口流体压力往往由现场实际情况决定,不能一直增加,故一般不能考虑用提高蒸发器出口流体压力的方法来改变喷射器的性能.(3)发生器出口流体压力和蒸发器出口流体压力一定时,喷射系数随冷凝器入口流体压力的升高而降低,原则上冷凝器入口流体压力应高于蒸发器出口流体压力,在实际中应合理选择.(4)蒸发器出口流体温度和冷凝器入口流体温度一定时,发生器出口流体温度存在一个最佳值.发生器出口流体温度小于最佳温度时,喷射系数随发生器出口流体温度升高而增加,发生器出口温度大于最佳温度时,喷射系数随发生器出口温度的升高而降低.因此,不能通过一味提高发生器出口流体温度来增加喷射系数.(5)随着蒸发器出口流体温度的升高和冷凝器入口流体温度的降低,喷射系数逐渐增加.15第4期㊀㊀㊀㊀㊀㊀曹丽华等:运行参数对喷射器性能影响的数值研究25东北电力大学学报第38卷参㊀考㊀文㊀献[1]㊀胡鹏飞,李勇.地热-太阳能联合有机朗肯循环发电技术研究[J].东北电力大学学报,2015,35(5):41-44.[2]㊀毕夏,史长东,程竹,等.低碳背景下我国新能源行业利用现状及发展前景分析[J].东北电力大学学报,2012,32(5):86-90.[3]㊀庄明振.海上风电场并网方案研究[J].东北电力大学学报,2016,36(4):19-25.[4]㊀杨茂,黄宾阳,江博,等.基于卡尔曼滤波和支持向量机的风电功率实时预测研究[J].东北电力大学学报,2017,37(2):45-51.[5]㊀曹丽华,张来,姜铁熘.蛇形流道太阳能平板集热器的数值分析[J].东北电力大学学报,2018,38(1):43-48.[6]㊀马国强,陶乐仁.太阳能喷射式制冷系统的实验研究[J].制冷技术,2014,32(6):1-3.[7]㊀张博,左计学,钟春福,等.以R236fa为制冷剂的太阳能喷射制冷系统研究[J].太阳能学报.2012,33(12):497-502.[8]㊀邵天,杜亚威,刘燕,等.蒸汽喷射器的三维数值模拟研究[J].真空科学与技术学报,2014,34(3):115-121.[9]㊀杨启容,刘娜,吴荣华,等.太阳能喷射式制冷系统喷射器性能的三维数值模拟[J].热科学与技术,2015,14(4):326-330.[10]李宇.新型喷嘴结构蒸汽喷射器性能的三维数值研究[J].石油化工设备技术,2014,35(5):19-22.[11]E.Hosseinzadeh,M.Rokni,M.Jabbri,et al.Numerical analysis of transport phenomena for designing of ejector in PEM forklift system[J].In-ternational Journal of Hy-drogen Energy,2014,39(12):6664-6674.[12]祁丽,张军,黄冠星.基于Fluent和Workbench的蒸汽喷射器流场分析和结构参数优化[J].流体机械,2014,42(5):35-38.[13]徐鑫,丁学俊,许弘雷.蒸汽喷射器流场模拟及性能优化分析[J].流体机械,2015,43(5):33-38.[14]王永红,陶乐仁,王金锋,等.蒸发条件对喷射器性能的影响研究[J].工程热物理学报,2011,32(12):1002-1004.[15]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.Numerical Study on The Influence of OperatingParameters on Ejector PerformanceCao Lihua,Bi ShuyangEnergy Resource and Power Engineering College,Northeast Electric Power University,Jilin Jlin132012) Abstract:Research on ejector in the solar ejector refrigeration system was carried out with the aid of computa-tional fluid dynamics.The results show that the entrainment ratio increases first and then decreases with the in-creases of generator outlet pressure in the condition of the same evaporator outlet pressure and condenser inlet pressure.In addition,entrainment ratio is proportional to the evaporator outlet pressure whereas the entrainment ratio is inversely proportional to the condenser inlet pressure.Furthermore,entrainment ratio increases first and then decreases with the increases of generator outlet temperature in the condition of the same evaporator outlet temperature and condenser inlet temperature.However,entrainment ratio increases with the increases of evapo-rator outlet temperature and the decreases of condenser inlet temperature.Key words:Ejector;Numerical simulation;Entrainment ratio;Pressure;Temperature。

分类号密级宁波大红鹰学院毕业设计(论文)基于ANSYS的喷雾器喷嘴流场仿真研究所在学院机电分院专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号指导老师年月日诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《基于ANSYS的喷雾器喷嘴流场仿真研究》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：朱晓峰2012年3月25日摘要本文采用ANSYS 的CFD分析模块对喷雾器喷嘴流场仿真研究，通过建立喷雾器喷嘴内流体流动的计算模型, 分析了计算流体力学方法( CFD) 在模拟喷嘴流场方面的应用。

ANSYS是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算数学，计算力学和计算工程学领域最有效的通用有限元软件。

它是融结构、热、流体、电磁、声学与一体的大型通用有限元商用分析软件。

利用ANSYS有限元分析，可以对各种机械零件，构件进行应力、应变、变形、疲劳分析，并对某些复杂系统进行仿真，实现虚拟的设计，从而大大节省人力，财力和物力。

由于其方便性、实用性和有效性，ANSYS软件在哥哥领域，特别是机械工程当中得到了广泛的应用。

利用ANSYS软件来比较不同喷嘴结构形式下流体的流动特征, 研究喷嘴突出长度、入口速度以及输入管内径对喷嘴雾化质量的影响。

结果表明这些参数相互配合, 存在最优值, 为喷嘴结构优化设计提供信息及依据, 对实际生产也具有指导意义。

关键词：喷雾器，流体力学，有限元分析，雾化AbstractThis paper uses the ANSYS CFD analysis module of the sprayer nozzle flow field simulation research, through the establishment of the sprayer nozzle flow calculation model, analysis of the computational fluid dynamics (CFD ) method in simulation of nozzle flow applications. Comparison of different form of nozzle structure for fluid flow characteristics, study of the nozzle protrusion length, entrance velocity and input tube diameter of nozzle atomization quality influence. The results show that these parameters are matched with each other, there exists an optimal value for the nozzle structure optimization design, provide information and basis, also has guiding significance for practical production.Key Words:sprayer, fluid mechanics, finite element analysis, atomization目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)第1章绪论 (1)1.1 主要课题内容及分析 (1)1.1.1 主要内容 (1)1.1.2 选题背景 (1)1.1.3 设计方案 (1)第2章有限元概述 (2)2.1 有限元国内外研究现状 (2)2.2 有限元分析的发展趋势 (3)2.3.1 与CAD软件的无缝集成 (4)2.3.2更为强大的网格处理能力 (4)2.3.3由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 (5)第3章喷雾器模型的建模设计 (6)3.1喷雾器特性 (6)3.1.1 现实中的运用 (6)3.1.2 喷雾器的工作原理 (6)3.2对喷雾器模型ANSYS分析 (8)3.2.1 分析思路 (9)3.2.2 导入模型 (9)3.3 FLOTRAN CFD 分析的概念 (13)3.4 FLOTRAN 分析基础及OTRAN单元的特点 (14)3.5喷嘴流场FLOTRAN分析 (15)第4章对喷雾器模型ANSYS详细分析 (30)4.1喷雾器喷嘴模型分析 (30)4.1.1喷雾器喷嘴的计算模型 (30)4.2数值计算边界条件 (31)4.4 计算结果及讨论 (36)4.4.1喷嘴输出管拐角对流体流速分布影响 (36)4.4.2喷嘴突出长度对流体流速分布的影响 (37)4.4.3输入管入口速度对流体流速分布的影响 (37)4.4.4喷嘴输入管内径对流体流速分布的影响 (37)总结与展望 (38)参考文献 (39)致谢 (41)第1章绪论1.1 主要课题内容及分析1.1.1主要内容对喷雾器喷嘴进行工艺分析，并确定分型方案、浇注系统位置和大小、抽芯方案、顶出方案等。