基于CFD的多噴射器數(shù)值模擬

張俊杰

（廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

噴射器是一種無運(yùn)動(dòng)部件的升壓裝置，其組成如圖1所示。近年來一些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。

圖1　噴射器示意圖

K Banasiak等人[1]對(duì)一臺(tái)CO2兩相流噴射器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模擬過程中CO2采用實(shí)際氣體模型，使用均相成核延時(shí)均衡模型來研究跨臨界流的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比結(jié)果表明此模型能夠較好地預(yù)測噴射器內(nèi)流場情況。丁學(xué)俊等人[2]使用二維軸對(duì)稱模型對(duì)蒸汽噴射器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了工作蒸汽壓力、引射蒸汽壓力和混合蒸汽壓力變化對(duì)噴射器的引射系數(shù)以及內(nèi)部流場激波的影響。沈勝強(qiáng)和張琨[3]提出在噴射器噴嘴內(nèi)插入噴針來調(diào)節(jié)噴射器的方案，并建立計(jì)算模型。通過模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)噴射器出口面積的調(diào)節(jié)可以改變噴射器的質(zhì)量流量。Bodys等人[4]對(duì)一種全尺寸CO2多噴射器模型進(jìn)行了模擬分析。他們分別研究了單噴射器和多噴射器運(yùn)行的情況，研究結(jié)果表明，帶多噴射器的CO2制冷系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的制冷工況，并且更加高效、穩(wěn)定。

本文提出一種新的多噴射器模型，并對(duì)其進(jìn)行建模與研究，分析了在指定邊界條件下，噴射器流量的變化規(guī)律。和以前的研究相比較，本文所建模型有如下不同：

（1）四個(gè)噴射器共用一個(gè)引射室；

（2）四個(gè)噴射器除引射室外各個(gè)部分獨(dú)立存在；

（3）四個(gè)噴射器集成為一個(gè)設(shè)備。

1　多噴射器建模與網(wǎng)格劃分

本文所研究噴射器采用文獻(xiàn)[5]中公布的尺寸，并在此基礎(chǔ)上對(duì)按照一定的比例對(duì)其進(jìn)行放大與縮小建立多噴射器。建立后的三維模型如圖2所示。

圖2　多噴射器三維模型

各噴射器的主要尺寸如表1所示。

表1　各噴射器的主要尺寸

本文研究中采用anasys中的mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到模型的復(fù)雜性，采用一鍵生成功能建立四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量為517 191.劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格劃分圖

2　模擬與分析

（1）模擬方法

本文模擬中，噴射器主噴嘴和引射噴嘴采用壓力入口邊界條件，擴(kuò)散器出口采用壓力出口邊界條件。CO2物性調(diào)用UDF以及多項(xiàng)式耦合的方法。

本文主要研究不同噴射器組合下噴射流量的變化規(guī)律，在模擬不同噴射組合時(shí)，工作噴射器的邊界條件采用前述方法設(shè)置，將不工作的噴射器關(guān)閉，即將其所有的邊界設(shè)置為wall.

本文采用非穩(wěn)態(tài)模擬，湍流模型采用SST k-ω模型，多相流模型為mixture模型，并且采用Coupled算法。確定的具體邊界條件參數(shù)如表2所示。

表2　模擬邊界條件設(shè)置

（2）結(jié)果分析

本文主要研究不同噴射組合下噴射器流量的變化情況。表3顯示了不同噴射組合下噴射器質(zhì)量流量以及噴射系數(shù)的變化。

表3　流量與噴射系數(shù)

當(dāng)模擬單開噴射情況時(shí)，噴射器引射流體流量隨著主噴嘴尺寸的增加而緩慢增加，其中ej2和ej3引射流量基本相同，但ej3的噴射系數(shù)為ej2的一倍，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，ej3的主噴嘴尺寸小于ej2，且所設(shè)計(jì)三維模型中引射入口接近ej3，所以較ej2，它能夠較容易地將引射流體吸入，使其噴射系數(shù)較大。由于ej4噴嘴尺寸較小，且其位置離引射室較遠(yuǎn)，致使其引射流量為負(fù)值，故表3中此項(xiàng)以及噴射系數(shù)項(xiàng)為空。

噴射器雙開時(shí)，ej2+ej3、ej2+ej4、ej3+ej4 三個(gè)噴射組合引射流體質(zhì)量流量之間緩慢變化，使用這三種組合可以連續(xù)控制制冷系統(tǒng)的制冷劑供應(yīng)。而ej1+ej2、ej1+ej3、ej1+ej4三個(gè)組合引射流體流量之間相差不大，但ej1+ej2組合的噴射系數(shù)較其他兩種最大，為了發(fā)揮噴射器的最大性能，在此流量所能滿足制冷所需制冷劑流量時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮ej1+ej2組合。

噴射器三開時(shí)，和前面的單開以及雙開相比較，引射流體流量有明顯的上升，這與所設(shè)想的實(shí)際情況相符合。此情況下，選擇不同的組合能夠很好地滿足制冷所需制冷劑供應(yīng)。

噴射器全開時(shí)，引射流體流量最大，此時(shí)可以滿負(fù)荷工作，在制冷量需求很大的情況下比較適用。

值得注意的是，ej1+ej2和 ej1+ej2+ej4、ej1+ej3和ej1+ej3+ej4、ej2+ej3和ej2+ej3+ej4，這幾種組合的引射流量比較接近，所以，利用ej4可以對(duì)制冷系統(tǒng)的流量進(jìn)行微調(diào)。

3　結(jié)論

通過分析，本文所提多噴射器模型能夠靈活地對(duì)制冷系統(tǒng)所需制冷劑流量進(jìn)行控制，并且必要時(shí)候能夠?qū)ζ鋵?shí)現(xiàn)微調(diào)節(jié)。