结构参数对大气喷射器性能影响的数值模拟分析

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 characteristics of a gas-liquid ejector using three-dimensional CFD modeling ［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22：1821－1829.［2］ YUAN H，MEIN，LIY，et al.Theoretical and experimental investigation on a liquid-gas ejector power cycle using ammonia-water［J］.Science China Technological Sciences，2013，56（9）：2289－2298.［3］蔡琴.射水抽汽低压加热除氧器性能的理论分析及实验研究［D］.重庆：重庆大学，2012. ［4］ RIFFATSB，OMER SA.CFD modelling and experimental investigation of an ejector refrigeration system usingmethanol as the working fluid［J］.International Journal of Energy Research，2001，25：115－128.［5］ SONG X G，CAO M S，SHINW，et al.Numerical investigation of a liquid-gas ejector used for shipping ballastwater treatment［J］.Mathematical Problems in Engineering，2014，2014：1－7.［6］ CHENW X，SHIC Y，HU M Q，et al.Numerical and experimental analysis of two phase flow in ejector［J］.Energy Procedia，2014，61：1298－1301.［7］付江涛.用于CO2热泵热水器的喷射器设计与模拟［D］.南京：南京理工大学，2013.［8］覃现凯，陈钰萍，周少基，等.在尾管的阻碍物对喷射器性能影响的数值模拟［J］.轻工科技，2014（4）：31－32.QIN X K，CHEN Y P，ZHOU S J，et al.Numerical simulation of influence of tail pipe blockage on the ejector performance［J］.Light Industry Science and Technology，2014（4）：31－32.（in Chinese）［9］屈晓航，睢辉，田茂诚，等.水引射蒸汽引射器的数值模拟［J］.化工生产与技术，2015，22（1）：18－22.QU X H，SUIH，TIAN M C，etal.Numerical simulation of steam-water ejector［J］.Chemical Production and Technology，2015，22（1）：18－22.（in Chinese）［10］ SHAH A，CHUGHTAIIR，INAYATM H.Experimental and numerical investigation of the effect of mixing section length on direct-contact condensation in steam jet pump ［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，72：430－439.［11］ LIC，LIY Z.Investigation of entrainment behavior and characteristics of gas-liquid ejectors based on CFD simulation［J］.Chemical Engineering Science，2011，66： 405－416.［12］ LIC，LIY Z，WANG L.Configuration dependence and optimization of the entrain ment performance for gas-gas and gas-liquid ejectors［J］.Applied Thermal Engineering，2012，48：237－248.［13］苑艺琳，王福刚，靖晶，等.不同特性介质对边壁流效应的影响［J］.实验室研究与探索，2014，33（12）：5－8.YUAN Y L，WANG F G，JING J，et al.Research on effect on sidewall flow bymedium with different characteristics［J］.Research and Exploration in Laboratory，2014，33（12）：5－8.（in Chinese）［14］蒋燕华，杨茉，郭春笋，等.文丘里管内非对称流动的数值模拟［J］.化工学报，2014，65（增刊1）：223－228.JING Y H，YANG M，GUO C S，et al.Numerical simulation of asymmetric flow in Venturi tube［J］.CIESC Journal，2014，65（S1）：223－228.（in Chinese）。

《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。

拉瓦尔喷嘴结构参数选取及其雾化性能数值模拟分析赵向锋，陈绍杰【摘要】为加强喷嘴在高强度粉尘的煤矿井下的雾化性能，得到最优的结构设计和理想的雾滴粒径，本文首先依据公式得出一组拉瓦尔喷嘴的最优几何结构，探究了喉管直径、扩张角及气—液体积等物理参数对拉瓦尔式结构喷嘴雾化性能的影响规律。

在气—液两相流下，运用Fluent软件对喷嘴内流场进行数值模拟，得到了喷嘴内流场的速度云图。

发现喉管直径对拉瓦尔喷嘴出口速度有很大的影响；不同的扩张段半锥角对结果也有不同程度的影响；液体压力的变化对雾滴粒径的影响十分明显。

喷嘴内部气—液体积比为6∶4并且气—液压力比为3∶1时，除尘效果最好。

【期刊名称】《华北科技学院学报》【年(卷),期】2019(016)005【总页数】6【关键词】数值模拟；拉瓦尔喷嘴；结构参数【文献来源】https:///academic-journal-cn_journal-north-china-institute-science-technology_thesis/0201273467882.html基金项目: 中央高校基本科研业务费资助(3142015105)0 引言煤矿的井下采掘工作面作业会产生大量粉尘，而采用湿式喷雾降尘是最经济简便的方法，其基本原理都是采用压力水喷嘴的喷雾形式[1]。

目前，我国综掘工作面的除尘技术主要有通风除尘、喷雾除尘、除尘器除尘、风幕除尘、物理化学法除尘、泡沫除尘等。

这些方法对井下粉尘治理有一定的效果[2，3]，但是并不理想，在运用过程中存在一定的弊端。

拉瓦尔式喷嘴的创新点是在超音速状态下的气—液两相技术的应用，对于拉瓦尔喷嘴的构造设计主要依赖于经验和实验，导致拉瓦尔喷雾降尘技术在井下实际应用中存在很大盲目性。

只凭经验设计喷嘴，不仅设计的结果十分不合理，而且造成材料浪费，最终降尘效果也大打折扣。

本文先通过理论计算设计喷嘴结构，然后结合CFD软件对其进行理论分析，得出了喷嘴速度与喷嘴进出口直径、喉管处直径以及扩长段角度等因素的关系，能为井下拉瓦尔喷嘴的实际应用提供技术指导。

喷射燃烧器中喷雾特性的数值模拟与实验研究引言喷射燃烧器是一种在工业生产和燃烧实验中广泛应用的装置。

在喷射燃烧器中，喷雾特性是影响燃烧效率和排放污染物的重要因素。

因此，在对喷射燃烧器进行优化设计和高效运行之前，必须对其喷雾特性进行全面深入的研究。

本文将介绍喷射燃烧器中喷雾特性的数值模拟和实验研究，首先对喷射燃烧器的相关原理和特性进行简要介绍，然后分别从数值模拟和实验研究两个方面探讨喷雾特性的相关内容，最后对未来的研究方向进行展望。

一、喷射燃烧器的原理和特性喷射燃烧器是一种将液体燃料喷射到燃烧室中并与空气混合燃烧的装置。

其基本原理是利用喷嘴产生高速液体流，将燃料分成小颗粒并喷入燃烧室中，在此过程中与空气混合，燃料与空气达到一定的浓度后自然燃烧。

在喷射燃烧器中，喷雾特性是燃烧效率和污染排放的重要影响因素。

喷雾特性主要包括燃料喷雾的形态、大小、速度等参数。

因此，对喷射燃烧器中的喷雾特性进行研究是优化设计和高效运行的关键。

二、数值模拟研究数值模拟是当前研究喷射燃烧器喷雾特性的主要方法之一。

在数值模拟中，利用计算机对液体燃料喷雾和分散过程进行模拟，并预测其喷雾特性。

数值模拟方法的主要优点是可以模拟出具体的燃料喷雾细节，如喷雾角度、速度、分布等参数，从而深入研究燃烧过程中的物理现象。

但是，数值模拟的结果可能受多种因素的影响，例如模型偏移、边界条件、精度等因素。

近年来，研究人员采用了各种数值模拟方法对喷射燃烧器中的喷雾特性进行了研究。

其中，最常用的数值模拟方法是CFD计算方法（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）。

CFD计算方法可以基于流体的运动方程和热传导方程，对流场进行预测。

目前，国内外研究人员在数值模拟方面的工作主要集中在喷嘴、喷雾、混合和燃烧等方面。

喷嘴方面的数值模拟主要包括单孔喷嘴、多孔喷嘴和空气辅助喷嘴等不同类型的喷嘴。

喷雾方面的数值模拟主要包括喷雾锥形、液膜分布、颗粒分布等方面的研究。

气体喷射器流场和激波特性的数值分析中国科技论文在线////0>.#气体喷射器流场和激波特性的数值分析**董升朝,种道彤(西安交通大学能动学院,西安 710049 )5 摘要 :本文对超音速气体喷射器为研究对象,采用数值模拟方法,对不同参数时的喷射器性能进行模拟 ,获得其流场和激波特性。

模拟结果表明: 喷射器内激波链长度随着混合腔平直段与高压喷嘴喉部直径比 (直径比) 的增加而变短, 随着混合腔平直段长度与直径之比 (长径比) 的增加而变长; 当直径比小于 1.47 或长径比大于 5 时,在混合腔入口和下游段分别出现强激波位置,在强激波位置后激波链强度沿轴向逐渐衰减; 当直径比大于等于 1.47 或长径比小于等于 5 时, 激波链强度从混合腔入口段开始沿轴向由强到弱逐渐10 衰减到无。

本文通过研究结构参数对气体喷射器内部流场和激波的影响, 进一步探索两股流体的混合机理,为气体喷射器的结构优化有重要指导意义。

关键词 :喷射器;激波;结构参数中图分类号 :TK12315 Numerical analysis on flow field and shock wavecharacteristics of gas ejectorDong Shengchao, Chong DaotongSchool of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049Abstract: The performance of supersonic gas ejector was numerically simulated, and the flow field20 and shock wave characteristics were obtained under different parameters. According to to numericalresults, the length of shock wave train decreases with the diameter ratio of mixing tube to primarynozzle throat, and increases with length to diameter ratio of mixing tube. Two strong shock wavesappear at the inlet of mixing chamber and near the outlet of mixing tube when the diameter ratio is lessthan 1.47 or the length to diameter ratio is larger than 5, and the shock waves decay along the axial25 distance. When the diameter ratio is larger 1.47 or the length to diameter ratio is less than 5, only onestrong shock wave appears, and it decay to 0 along the whole axialdistance. The paper focuses on theinfluence of structure parameters on the flow field and shock wave of gas ejector, and also the mixingmechanism of two streams. The investigation benefits for the optimization design of gas ejectorKey words: ejector; shock wave; structure parameter300 引言超音速气体喷射器结构简单、易加工、成本低等特点,工作中无转动部件,可靠稳定,安装维护方面,密封性较好等优势。

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 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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。

？８３Ｉ▲鼻■大，硕士研究生学位论文论文题目：ＩＪ∞利反心擀的龇仙横＿｜｜＿ｌ姓名指导教师学科专业专业代码研究方向赵红妹郑世清．毕荣山老师化学工程过程系统下程喷射反应器的数值模拟、优化及放大研究一般情况下，被吸流体从吸入口进入喷射器后一。

直到喷嘴出口处过程中的流动阻力需要考虑，为了更真实、准确地反映喷射反应器内真实的流场信息，需要对整个喷射反应器建立三维模型。

本文对喷射反应器进行三维模拟时建立的几何体如图２—２所示：图２－２三维模拟中的几何体Ｆｉｇ２－２Ｐｈｙｓｉｃａｌｇｅｏｍｅｔｒｙｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌ（２）网格划分建立几何体以及对其进行网格划分是很重要的，也是相当费时的，网格划分的好坏不仅影响计算的收敛性和结果的精确性，而且对计算机硬件的要求也有很大影响。

考虑到喷嘴流动区域及设备的拐角处几何形状的复杂性，很难运用结构化网格进行划分，本文对喷射反应器的三维实体模型采用非结构化网格的划分方法。

为了提高计算精度，对喷射反应器进行网格划分时必须实行局部加密。

两股流体接触面是我们所关心的区域，因此对其进行较密的网格划分。

另外由于流场速度、湍动能和湍流耗散率分布不均匀，近避面处的梯度较大，所以该区域网格划分时也要加密。

最终的网格划分如图２—３所示：青岛科技大学研究生学位论文２．２．２简化模型（１）模型图２－３喷射反应器的网格划分（三维模型）Ｆｉｇ２－３Ｇｒｉｄｓｏｆｊｅｔｒｅａｃｔｏｒ（３一Ｄｍｏｄｅｌ）图２＿４简化喷射反应器的模型Ｆｉｇ２－４Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｐｈｙｓｉｃａｌｇｅｏｍｅｔｒｙｏｆｊｅｔｒｅａｃｔｏｒ对喷射反应器原型进行简化处理，假定被吸液流围绕喷嘴四周沿轴线均匀进入混合管，假定喷嘴出口截面上高速的工作流体与被吸流体在进入混合室前互不混合、但紧密流动，只对喷射器混合段及以后的区域进行模拟，旨在与三维真实喷射反应器的数值模拟、优化及放大研究模型进行比较。

简化处理的喷射反应器如图２－４。

结构参数对气液下喷式喷射器性能的影响研究
薄守石;徐子涵;徐冉;桑文蓉;张其克;孙兰义
【期刊名称】《石油化工设备技术》
【年(卷),期】2024(45)3
【摘要】喷射环流反应器是一种新型的气液或气液固接触反应装置,其中的喷射器结构会对反应器性能产生重要影响。

文章采用计算流体力学方法,建立了文丘里型喷射器的数学模型,分析了吸气室、喉部和扩散段等结构对喷射器吸气量的影响规律。

模拟结果表明:吸气室直径和气相入口方式对吸气量影响不大;喷嘴与喉部之间距离越小,喉部长度越短,吸气量越高;扩散段扩散角度在2~4°之间时吸气量存在最大值。

【总页数】8页(P11-17)
【作者】薄守石;徐子涵;徐冉;桑文蓉;张其克;孙兰义
【作者单位】中国石油大学(华东);山东正诺化工设备有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TB6
【相关文献】
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4."气液喷射器性能研究及结构优化
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