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气液喷射器喷射性能的数值模拟与优化郑平;秦敬轩;陈旭【摘要】针对气液喷射器传统2维设计理论和以试验或者 CFD 为基础进行单因素改变分析的不足，进行4组不同条件、多因素影响下气液喷射器内部流场的CFD数值模拟，对比分析特定环境下不同气液流量比、混合管长径比、扩散室出口直径等参数对气液喷射器性能的影响，选择了合适的、有利于提高气液喷射器喷射性能的优化参数．结果表明：对于气液喷射器，当气液流量比和扩散室出口直径增大时，喷射器出、入口压降增大，壁流效应增大，工作效率降低，合适的气液流量比为0．018～0．035，扩散室出口直径为25～30 mm；当混合管长径比为1．00～1．17时，壁流效应较小，喷射器减速增压效果较好，流体混合加热效果较好，能够更好地满足气液喷射器工作特性要求．%According to the shortages of both traditional two-dimensional design and single-factor analysis basedon experiments or CFD software,the flow field of gas-liquid ejector influenced by multiple factors was simulated by CFD software under four kinds of conditions.The effects of gas-liquid flow rate,length to diameter ratio of mixture pipe and outlet diameter of diffusion chamber on the ejection performance of gas-liquid ejector were compared and analyzed.The optimization was obtained to enhance the ejection performance of gas-liquid ejector.The results show that for the specific ejector,when gas-liquid flow rate and outlet diameter of diffusion chamber are increased,pressure drop and wall flow effect are increased with decreased work efficiency.The suitable gas-liquid flow rate is from 0.01 8to 0.035,and the suitable outlet diameter of diffusion chamber is from 25mm to 30 mm.When length to diameter ratio of mixture pipe is from 1 .00 to 1 .1 7,the wall flow effect is little,and the effects of deceleration supercharging and mixed heating are good. The results show that the appropriate parameters can better meet the requirements of operating characteristics.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】7页(P30-36)【关键词】气液喷射器;CFD建模;喷射性能;数值模拟;优化【作者】郑平;秦敬轩;陈旭【作者单位】辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】Q358气液喷射器产生的小气泡或小液滴，在注入反应器后会增强气液两相间接触，因而具有更高的传质速率［1］.它被广泛应用在等化学、生物反应工程领域.目前已有大量对气液喷射器进行试验研究和CFD软件数值模拟的成果和经验.国内外学者对气液喷射器进行了大量研究.文献［2］利用气液喷射器试验研究热力学参数，提出了新的氨水混合物.文献［3］将气液喷射器改装成射水抽气除氧器，进行了模拟试验.文献［4］利用CFD预测了酒精急速喷射器性能.文献［5－6］对气液喷射器进行了数值模拟和试验.文献［7－8］在2维建模基础上利用数值模拟研究了气液喷射器喷射性能的影响因素.文献［9－12］考虑了单因素对喷射器性能的影响，进行了3维数值模拟.为了进一步研究气液喷射器喷射的性能，笔者运用CFD软件，建立特定气液喷射器的3维模型，探究喷射器的气液流量比、混合管长径比以及扩散室出口直径等多参数对喷射器喷射效果的影响，提出相应的结构优化方案，对气液喷射器的工程应用和设计优化具有一定理论指导意义.1.1 数学模型1.1.1 控制方程连续性方程为式中：ρ为密度；t为时间；u为速度.动量方程为式中：p为压强；τ为湍流应力.能量方程为式中：E为流体微团总能；keff为有效热传导系数；T为温度；τeff为热源项. 1.1.2 湍流模型湍动能k和湍能耗散ε的传递方程如下：式中：μt为湍流（漩涡）黏度；C1ε＝1.44；C2ε＝1.92；σk＝1.0；σε＝1.3.式中Cμ＝0.09.1.1.3 气液流量比和混合管长径比气液流量比为式中：Qg为气体流量；Ql为液体流量.混合管长径比式中：L为混合管长度；D为混合管直径.1.1.4 加热系数加热系数为式中：Tc为混合出口温度；Tw为主流体入口温度.1.2 物理模型主流体液相入口为液化天然气（LNG），吸入次流体为气相闪蒸汽（BOG）.LNG 外输流量为4～8 m3·h－1，压力为1 MPa，BOG流量为0.1～0.4 m3·h－1.因文中主要分析气液喷射器后部混合管和扩散室的流动特性和阻力特性，故建模时忽略气液喷射器喷嘴，简图如图1所示.几何参数：混合管长度为272 mm，LNG 入口管径为10 mm，BOG入口管径为8 mm，混合流体出口管径为25 mm，扩散室长度为272 mm，总长为327 mm.1.3 假设条件假设条件：①流体在喷射器内做稳定流动，相对非稳态流动可以大大缩短模拟运行时间；②LNG与BOG混合后未发生相变，BOG为不可压缩流体，降低模拟分析过程中对参数的影响因素，且加入相变模拟程序对两相混合效果影响较小；③忽略摩擦损失、壁面绝热，流体经过喷射器发生压缩膨胀均为绝热过程，与外界环境隔离，使该气液喷射器模型更理想化.1.4 网格划分和边界条件1.4.1 网格划分在气体入口、混合室以及混合室前段的渐缩段进行网格局部加密.采用非结构网格划分方式，接受室、渐缩段和气体入口采用四面体网格，混合室、扩散室出口采用六面体网格.由于混合管处流速大，考虑边界层网格.气液喷射器整体结构网格划分如图2所示，渐缩管与混合管网格划分如图3所示，LNG和BOG进口处网格划分如图4所示.1.4.2 边界条件LNG液体入口和BOG气体入口为速度入口边界，LNG入口速度恒为20 m·s－1，混合流体出口为压力出口边界.2.1 求解过程定义模型为稳定、压力基、隐式求解器；选择Mixture模型以及标准k-ε湍流方程；启动能量方程，考虑重力，将出口压力设置为常压；初始化时，动量方程、湍动能、湍流耗散设置为二阶迎风格式，体积分数设置为QUICK.2.2 模拟过程在文献［7］研究气液喷射器几何因素的基础上，采取控制变量法，进行4组不同条件的模拟计算.条件1：控制混合管直径为6.5 mm、混合管长度为7 mm、扩散管出口直径为25 mm不变，改变BOG气体进口流量，从而改变气液流量比；条件2：控制混合管长度为7 mm、气液流量比为0.018、扩散管直径为25 mm不变，增大混合管直径；条件3：控制混合管直径为6.0 mm、气液流量比为0.018、扩散管直径为25 mm不变，增大混合管管长；条件4：控制控制混合管直径为7.0 mm、混合管长度为7 mm、气液流量比为0.018不变，增大扩散管出口直径.工质物性参数及4组参数条件如表1，2所示.其中，vB为BOG入口流速，d为扩散管出口直径.3.1 气液流量比对阻力特性的影响阻力特性分析主要包括：①喷射器轴线上的压力变化；②主流体进口与扩散室出口间的压降.不同气液流量比的轴线压力曲线和压降曲线分别如图5，6所示.其中，p1为轴线压力，Δp0为主流体LNG进口与扩散室出口间的压降，x为轴线坐标.从图5，6可以看出：不同流量比下的压力变化趋势一致，只是对应处的压力大小不同；在x＝0 mm即混合管入口处，压力迅速降低，是因为混合管截面面积小，流体流速大的原因造成的；随着气液流量比的增大，混合管段处的压力有所降低，主流体进口与扩散室出口间的压降却随之增大，例如在x＝0 mm，当λ＝0.018时，流体压力为－5.41 MPa，压降为3.87 MPa；当λ＝0.071时，流体压力降低至－5.85 MPa，压降增大至4.20 MPa.整个喷射器系统压降增大，是因为气体流量的增加导致喷射器压缩气体做功增加，以及流体间的摩擦阻力增加，这对喷射器的工作效率也是不利的.因此，针对此喷射器选择较好的气液流量比λ为0.018～0.035.3.2 混合管长径比的影响3.2.1 流动特性分析不同混合管直径下，z＝0处的速度云图和湍动能云图分别如图7，8所示.随着混合管直径的增加，喷射器出口混合流体流速明显增加，扩散室内的湍动能亦是如此；当D从6.0 mm增大到7.0 mm时，出口速度从14.99 m·s－1增大到15.23 m·s －1.从图7可以看出：在D＝7.0 mm时，喷射器内流体产生较小的壁流效应.从图8可以看出：过大的速度梯度产生的回流现象，当D从7.0 mm增加到9.0 mm时，扩散室内流体流速依然增大、回流效应增大而壁流效应却消失.此结论与文献［13］的结论一致.3.2.2 阻力特性分析不同混合管直径喷射器的轴线压力变化曲线和出入口压降曲线分别如图9，10所示.随着混合管直径的增加，混合管轴线压力和压降都增大.当D从6.0 mm增大至9.0 mm时，在混合管入口处，压力由－7.50 MPa增加至－1.70 MPa，同时该气液喷射器压降由原来的－5.54 MPa增加至－0.71 MPa，这是因为混合管直径增大，截面积增加，导致流体流速随之减小，所以混合流体的压力也就随之增大.从图9可以看出：在x＝0 mm之前的区域，喷射器主流体入口压力随混合管直径的增大而降低，而在扩散室出口压力大小几乎一样.结合图8，随着混合管直径增加，回流区旋涡强度增大，主流体能量损失越多，轴向速度衰减得越快［14］，因此主流体LNG的压降就越大.同时，从图9还可以看出：当D＝9.0 mm时，流体进入混合室的压力增大量最小，对混合流体起不到减速增压作用.因此，混合管直径过大在一定程度上会影响混合流体进入扩散室的减速喷射效果.不同混合管直径的加热系数曲线如图11所示.随着混合管直径的增大，加热系数出现峰值.在直径D＝6.5 mm时，加热系数最大，此时θ＝0.024 88，这是因为与其他不同混合管直径的情况相比较，D＝6.5 mm时混合流体流速对流体的混合加热效果较好.因此，从流体流动特性、阻力特性及加热系数等方面综合考虑，对于混合管长度为L＝7 mm的气液喷射器，较合理的混合管直径为6.0～6.5 mm.不同混合管长度的喷射器轴线压力和出入口压降曲线分别如图12，13所示.随着混合管长度的增加，喷射器轴线压力随之增加，整个喷射器系统的压降也随之增大.在x＝0 mm即混合管入口处，混合管长度L＝6 mm时压力为－4.20 MPa，L＝9 mm时的压力增加到－4.13 MPa，其增长率为1.7%；压降由起初的2.67 MPa 增加至2.73 MPa，其增长率达到2.25%.这是因为，当气液流量一定的前提下，混合管变长，根据达西公式可以判断管内沿程阻力的增加，导致喷射器轴线压力增加，也使整个喷射器系统压降增加.因此，从流体流动特性、阻力特性等方面考虑，对于D＝6.0 mm的气液喷射器，较合理的混合管长度为6～7 mm.与试验二相对比，选择较为合理的长径比1.00～1.17.3.3 扩散室出口直径的影响固定扩散室入口直径，通过改变扩散室出口直径来改变扩散室的扩散角.3.3.1 流动特性分析不同扩散口直径的z＝0截面的速度云图如图14所示.从图14可以看出：当d＝20 mm时，由于此时扩散角较小，扩散室起不到增压减速作用，与图7中的D＝9.0 mm的情况类似，在扩散室出口处流体速度较大仍发生喷射现象；随着扩散室出口直径的增大，扩散角也在增加，当d＝35 mm时，混合流体壁流效应轻微，当d＝45 mm时，混合流体产生了明显的壁流效应，由于此时在扩散室内喷射完成，流体流速降低，再加上重力作用，导致混合流体沿着扩散室下壁面继续喷射流动，这种现象对于喷射器而言并不好.此结论与文献［13］的结论一致.3.3.2阻力特性分析不同扩散口直径的轴线压力变化和出入口压降曲线分别如图15，16所示.随着扩散口直径的变大，相对应各点的压力也随之增大，压降也有先减小后上升的趋势.这是因为扩散口直径的增大导致扩散角度的增大，沿轴向的横截面也增大，即混合流体射流的扩散面积增大，液体速度下降较快，使流体压力随之增大.当d＝35 mm时压降最小，为2.52 MPa.前期压降降低是因为扩散管直径的增加，扩散室近壁处的流体流速随着扩散口直径的增加而降低，导致沿程阻力的损失降低；后期压降上升，是因为流体流速的下降，用于卷吸气体、分散气体和损耗的能量相应增大.3.3.3 加热系数分析不同扩散口直径的加热系数曲线如图17所示.从图17可以看出：随着扩散口直径的增加，加热系数减小，由原来的0.024 57降低至0.024 23，减小了1.4%.这是由于扩散口直径增大使得液体流速减小，导致气液两相间的换热效率减小，所以，加热系数随之减小.因此，从流体流动特性、阻力特性分析和加热系数等方面考虑，此喷射器选择扩散口直径为25～30 mm较为合理.通过改变气液流量比、混合管长径比以及扩散室出口直径等因素进行CFD数值模拟，从流体流动特性、阻力特性以及加热系数等方面分析考虑，针对此气液喷射器进行了合理的参数选择：选择轴线压力较大、压降较小的气液流量比为0.018～0.035；选择流动特性合理、轴线压力较大、压降较小以及加热系数较大的混合管长径比为1.00～1.17；选择流动特性合理、压降较小、加热系数较大的扩散管出口直径为25～30 mm.选择合理的气液流量比、混合管长径比以及扩散室出口直径能更好地满足混合特性要求，可以为气液喷射器的进一步优化设计提供理论指导.【相关文献】［1］ UTOMO T，JIN ZH，RAHMANM，etal.Investigation on hydrodynamics and mass transfer 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《基于拉瓦尔效应的气水两相喷雾数值模拟研究》篇一一、引言喷雾技术是众多工程领域中的关键技术之一，尤其在燃烧、冷却、喷涂等过程中发挥着重要作用。
近年来，气水两相喷雾技术因其独特的物理特性和广泛的应用前景，受到了广泛关注。
本文以拉瓦尔效应为基础，对气水两相喷雾进行数值模拟研究，旨在深入了解其工作原理和性能特点。
二、拉瓦尔效应及其在气水两相喷雾中的应用拉瓦尔效应是指当流体在拉瓦尔喷管中流动时，通过适当的设计和调整，可以使流体在亚音速和超音速之间转换，从而实现高效的能量转换和传输。
在气水两相喷雾中，拉瓦尔效应的应用主要体现在喷嘴的设计和优化上。
通过合理的设计喷嘴结构，使气体和液体在喷嘴中形成良好的混合和雾化效果，从而提高喷雾的均匀性和稳定性。
三、数值模拟方法及模型建立本文采用计算流体动力学（CFD）方法对气水两相喷雾进行数值模拟。
首先，建立喷雾系统的几何模型和物理模型，包括喷嘴、喷雾环境等。
其次，选择合适的湍流模型、多相流模型和传热传质模型等，对喷雾过程进行数学描述。
最后，利用数值计算软件对模型进行求解，得到喷雾过程中的流场分布、速度场、温度场等关键参数。
四、模拟结果与分析通过对气水两相喷雾的数值模拟，我们得到了喷雾过程中的流场、速度场和温度场等关键参数的分布情况。
首先，在喷嘴附近，气体和液体在拉瓦尔效应的作用下混合并形成高速喷射流。
随着喷射流的扩散和传播，流速逐渐降低，但仍然保持较高的速度。
其次，在喷雾过程中，气体和液体的相互作用导致温度场发生变化，从而影响喷雾的蒸发和扩散过程。
最后，通过对模拟结果的分析，我们可以得出喷嘴结构、喷射压力、环境温度等因素对气水两相喷雾性能的影响规律。
五、结论与展望本文基于拉瓦尔效应对气水两相喷雾进行了数值模拟研究，得到了喷雾过程中的流场、速度场和温度场等关键参数的分布情况。
通过分析模拟结果，我们可以得出以下结论：1. 喷嘴结构对气水两相喷雾的性能具有重要影响。
合理的设计喷嘴结构可以使气体和液体在喷嘴中形成良好的混合和雾化效果，从而提高喷雾的均匀性和稳定性。
