沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)洞引射器引射性能模擬

周璟瑩，鄒偉龍，黃立還

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

蒸汽引射器是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的重要設(shè)備，用以滿(mǎn)足試驗(yàn)所需真空度，同時(shí)對(duì)內(nèi)部流體起到減速增壓的效果[1-3]。該類(lèi)引射器中的工作介質(zhì)通常為大壓縮比(大于2.5)的可壓縮流體，在工作過(guò)程中，由于流場(chǎng)中激波鏈、邊界層的分離與再附、渦流等復(fù)雜物理現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致有關(guān)引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶有很大的經(jīng)驗(yàn)性，有關(guān)引射能力提高的研究也受到限制。一些學(xué)者對(duì)引射器性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析，得到了引射器引射系數(shù)與工作條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的規(guī)律[4-6]。利用計(jì)算流體力學(xué)的手段及其可視化優(yōu)點(diǎn)，揭示了引射器內(nèi)部的流動(dòng)細(xì)節(jié)，為其設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供依據(jù)。X.Yang等[7]利用流體力學(xué)手段對(duì)橢圓形、圓錐形等不同形狀噴嘴進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)圓錐形噴嘴的噴射能力較其他幾種更優(yōu)；K.Pianthong等[8]模擬分析了蒸汽引射器結(jié)構(gòu)(如噴嘴位置、喉管長(zhǎng)度等)對(duì)其工作性能的影響，得到了最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)；龍新平等[9]對(duì)喉管長(zhǎng)度不同的幾種引射器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)引射器喉管長(zhǎng)度與面積的比值影響最優(yōu)喉管的長(zhǎng)度；徐海濤、桑芝富[10]運(yùn)用 Fluent 軟件對(duì)不同壓縮比的引射器流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析了不同操作狀態(tài)下蒸汽引射器的工作能力，得出最佳工作點(diǎn)在其臨界狀態(tài)的結(jié)論；P.Desevaux[11]和Yu Han[12]等運(yùn)用 CFD 的可視化特點(diǎn)，分析了引射器流場(chǎng)內(nèi)激波鏈變化、邊界層分離情況以及內(nèi)部壓力場(chǎng)變化；袁丹青等[13]對(duì)多噴嘴引射器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算模擬，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析并驗(yàn)證了噴嘴數(shù)量與其工作能力的關(guān)系；孔凡超等[14]分析了水和液氮作為摻混工質(zhì)對(duì)于引射器引射能力的不同影響，得到了提高引射器極限真空度的方法；O A Evdokimov等[15]通過(guò)對(duì)比兩種不同類(lèi)型引射器用于不同工作方式下的模擬與試驗(yàn)結(jié)果，分析了其抽吸能力。

由于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工況復(fù)雜，空氣流量變化范圍較大，試驗(yàn)用蒸汽引射器的工作狀態(tài)需隨之調(diào)整。通過(guò)流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)引射器進(jìn)行模擬分析，對(duì)比討論各影響因素對(duì)引射器性能的影響、不同工況下引射器的工作狀態(tài)，為合理利用引射器、提高引射性能及工況參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 引射器結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

本文分析的蒸汽引射器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由接受室、引射噴嘴、混合室和擴(kuò)散器4部分組成，3個(gè)引射噴嘴呈間隔120°圓周排列。引射器工作時(shí)，工作流體(高壓水蒸汽)通過(guò)引射噴嘴進(jìn)入接受室，并在引射噴嘴出口形成高速低壓區(qū)域；引射流體(主要為水蒸氣和空氣的混合物)在內(nèi)外壓差的驅(qū)動(dòng)下被吸入接受室，在工作流體膨脹和邊界層粘性力的共同作用下進(jìn)入混合室，與工作流體發(fā)生動(dòng)量和能量的交換；混合后的蒸汽(壓縮流體)經(jīng)擴(kuò)散器的導(dǎo)流擴(kuò)壓作用，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能后排出，在保證引射流體前端容器真空度的同時(shí)提高了引射流體的壓力。

圖1 蒸汽引射器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of steam ejector

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，蒸汽引射器的工作能力關(guān)系試驗(yàn)成敗，而引射器主要由以下幾個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 引射系數(shù)

指在一定工況下，單位質(zhì)量工作流體通過(guò)引射器所能抽吸的引射流體流量，在數(shù)值上與引射流體和工作流體的質(zhì)量流量之比相等，即

u=MI/Mp

式中:u為引射系數(shù)；MI為引射流體的質(zhì)量流量，kg/s;Mp為工作流體的質(zhì)量流量，kg/s。

1.2 引射器效率

用以衡量引射器的完善性，是引射流體獲得工作能力與工作流體喪失工作能力的比值，即

η=u(pc/ph)/(pp/pc)

式中:η為引射器效率；pc為壓縮流體壓力(即引射器出口壓力)，MPa；ph為引射流體壓力，MPa；pp為工作流體壓力，MPa。

引射系數(shù)是評(píng)價(jià)蒸汽引射器工作性能的重要指標(biāo)，也是本文分析時(shí)重點(diǎn)考察的參數(shù)之一；引射器效率在引射、工作和壓縮流體初始參數(shù)不變的前提下，取決于引射系數(shù)u的大小。

當(dāng)引射器結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí)，引射系數(shù)的大小不僅與引射流體的質(zhì)量流量有關(guān)，工作流體壓力、引射流體中水蒸氣所占的百分比等均會(huì)影響引射器的引射能力?；谏鲜鰧?duì)引射器結(jié)構(gòu)及工作原理的描述建立模型，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)與蒸汽引射器性能之間的關(guān)系進(jìn)行分析討論。以圖1所示引射器結(jié)構(gòu)為例，由于該型引射器每套噴嘴、混合室與擴(kuò)散器均可獨(dú)立工作，且為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此只分析其中一套結(jié)構(gòu)即可。

2 額定工況流場(chǎng)分析

2.1 網(wǎng)格及邊界條件

計(jì)算域包括噴嘴、混合室及擴(kuò)散器段，對(duì)噴嘴喉部的網(wǎng)格進(jìn)行加密，得到引射器的二維網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格示意圖Fig.2 Grid schematic diagram

邊界條件設(shè)置如下：

1)引射流體入口：MI=38.16 kg/s，混合流體中水蒸氣的質(zhì)量百分比α=22%；

2)工作流體入口：pP=1.27 MPa，α1=100%；

3)混合流體出口：α2=0，pc= 95 600 Pa(取當(dāng)?shù)卮髿鈮?；

4)壁面邊界條件：無(wú)滑移絕熱壁面。

2.2 額定工況流場(chǎng)分析

使用FLUENT對(duì)額定工況下蒸汽引射器的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。

2.2.1 引射器內(nèi)壓力場(chǎng)分布

由圖3可分析引射器工作過(guò)程。引射器內(nèi)部的壓力在噴嘴前后發(fā)生劇烈變化，即高壓工作流體經(jīng)過(guò)噴嘴喉部后壓力迅速降低，在出口處形成低壓區(qū)，將引射流體吸入混合室中；2種流體在混合室充分混合后，再經(jīng)由擴(kuò)壓器提升壓力，最終引射到大氣中。

圖3 引射器內(nèi)部壓力場(chǎng)分布云圖Fig.3 The contours of the internal pressure field of the ejector

結(jié)合圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，噴嘴出口后的壓力急劇降低后，轉(zhuǎn)變?yōu)閲@某一值的振蕩變化形式，這是由于超音速流體在擴(kuò)張段要進(jìn)行減速增壓，為達(dá)到出口壓力必然在擴(kuò)張段產(chǎn)生激波間斷，強(qiáng)激波和較強(qiáng)的逆壓梯度必然誘發(fā)邊界層的分離；而又由于流體有自動(dòng)選擇和維持最穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)的特性，隨著時(shí)間的發(fā)展，邊界層不斷分離再附，引射器的軸線(xiàn)位置形成激波鏈，流體速度和壓力也隨之發(fā)生振蕩，直至流場(chǎng)趨于定常。

圖4 軸線(xiàn)處壓力散點(diǎn)圖Fig.4 Pressure scatter plot at axis

2.2.2 引射器內(nèi)速度場(chǎng)分布

由圖5中的馬赫數(shù)分布云圖可看出，工作流體在噴嘴等截面段達(dá)到音速，在噴嘴擴(kuò)張段速度不斷增大；通過(guò)噴嘴之后為超音速狀態(tài)，并在剪切作用下帶動(dòng)引射流體進(jìn)入混合室，形成混合邊界層，邊界層外部為亞音速流體，內(nèi)部為超音速流體。在混合過(guò)程中，伴隨著能量交換，在噴嘴邊緣產(chǎn)生一道斜激波，誘發(fā)邊界層的第一次分離，使得主流通道等效截面收縮，出現(xiàn)第一個(gè)喉道；然后等效流道擴(kuò)張，流體再加速。之后由于逆壓梯度的作用，激波鏈結(jié)構(gòu)由初始的分叉激波-膨脹波單元發(fā)展為壓縮波-膨脹波單元，即喉道前后的流體速度仍為超音速，但喉道前的流體受到壓縮，喉道后的流體隨著流道的擴(kuò)張而加速，同時(shí)，流道收縮減緩，流道收縮處的邊界層變厚，激波強(qiáng)度逐漸減弱。最后，在擴(kuò)散器的擴(kuò)張段，激波鏈單元結(jié)束，超音速流體與亞音速區(qū)域逐漸混合，在無(wú)激波的狀態(tài)下增壓減速至較均勻的亞音速狀態(tài)。

圖5 馬赫數(shù)散點(diǎn)圖Fig.5 Maher number scatter plot

結(jié)合軸線(xiàn)位置的馬赫數(shù)散點(diǎn)圖分析可知，引射器內(nèi)軸線(xiàn)處的速度變化與壓力變化一樣，都受激波鏈作用而不斷振蕩變化。在激波產(chǎn)生的初始階段(即噴嘴出口位置)，速度最高達(dá)3.7倍聲速；隨著激波鏈強(qiáng)度的減弱，振蕩曲線(xiàn)的最高點(diǎn)不斷降低(但馬赫數(shù)仍大于1)，直至激波鏈結(jié)束后，氣流才變?yōu)閬喡曀倭黧w。

2.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果合理性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證引射器仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將模擬所得的引射壓力與試驗(yàn)中傳感器采集到的壓力進(jìn)行對(duì)比，引射流量為38.16 kg/s，模擬所得引射壓力為39.7 kPa，試驗(yàn)采集的壓力為36 kPa，誤差為9%，在誤差允許范圍內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值模擬條件設(shè)置合理，結(jié)果具有參考意義。

3 不同操作工況參數(shù)下引射能力的分析

對(duì)于本文中結(jié)構(gòu)尺寸一定的蒸汽引射器引射性能的分析，主要研究各操作工況參數(shù)對(duì)引射性能的影響，結(jié)合沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中蒸汽引射器的實(shí)際工作情況，選取引射流體流量(單噴嘴)Mh，引射流體中水蒸氣所占百分比α，工作流體壓力pp這和引射流體壓力ph這4個(gè)工況參數(shù)進(jìn)行研究。

3.1 引射流體流量的影響

以工作流體壓力pp=1.27 MPa，引射流體中水蒸氣所占百分比α=22%為前提不變，模擬引射流體流量MI從23.16 kg/s變化到53.16 kg/s(即單噴嘴流量由7.72 kg/s變到17.72 kg/s)時(shí)引射器的工作情況，得到引射器效率隨引射流體流量變化的趨勢(shì)如圖6所示。從圖6中可看出，引射器的效率隨引射流體流量的增加而升高，這是由于引射流體流量增加時(shí)，引射流體的壓力也得到提高，兩者綜合作用導(dǎo)致引射器效率的升高。

圖6 引射流體流量(單噴嘴)對(duì)引射器效率的影響Fig.6 Effect of ejecting fluid flow(single nozzle) on efficiency of ejector

通過(guò)對(duì)比不同引射流體流量時(shí)引射器內(nèi)部的速度云圖(如圖7所示)可以發(fā)現(xiàn)，引射流體流量越大，激波鏈的有效長(zhǎng)度越長(zhǎng)，但強(qiáng)度越??；激波鏈形狀由長(zhǎng)鏈狀逐漸發(fā)展為鉆石鏈狀，激波鏈?zhǔn)湛s處的混合邊界層擴(kuò)大，流體流通量增大，故引射流體所獲得的工作能力增大，引射器的效率升高。

圖7 不同引射流體流量時(shí)引射器內(nèi)部速度場(chǎng)的變化Fig.7 Variation of velocity field in ejector during different ejection fluid flow rate

3.2 引射流體中水蒸氣所占百分比的影響

為了研究引射流體中水蒸氣所占百分比對(duì)引射器性能的影響，將引射流體入口邊界條件由流量入口改為壓力入口，設(shè)定引射器的工作流體壓力為1.27 MPa，引射流體壓力為33 kPa，模擬引射流體中水蒸氣所占百分比從0變化到50%時(shí)引射器的工作情況，得到引射流體中水蒸氣所占百分比對(duì)引射性能的影響趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 引射流體中水蒸氣含量的影響Fig.8 Influence of water vapor content in ejecting fluid

由圖8可知，引射流體的流量隨著引射流體中水蒸氣含量的增大而減小，而工作流體流量不變，故引射器的引射系數(shù)隨水蒸氣含量的升高而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，水蒸氣所占百分比α由0增大到50%，引射系數(shù)由0.45降低至0.36。

3.3 工作流體壓力的影響

參考試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置引射流體入口壓力ph為33 kPa，然后分別取工作流體入口壓力pp為1.07 MPa，1.12 MPa，1.17 MPa，1.22 MPa，1.27 MPa，1.32 MPa，1.37 MPa及1.42 MPa，其模擬結(jié)果如圖9所示。

圖9 工作流體壓力的影響Fig.9 The effect of working fluid pressure

分析可得，引射系數(shù)隨著工作流體壓力的增大而降低，當(dāng)工作流體壓力pp=1.42 MPa時(shí)，引射系數(shù)u=0.33，為此段數(shù)據(jù)中的最小值。引射流體的流量隨著工作流體壓力的升高而緩慢增大，且在pp>1.32 MPa后，數(shù)值基本不再增大；而工作流體的流量隨著工作流體壓力的升高而增大，且工作流體流量的增加遠(yuǎn)大于引射流體流量的增加，故增大工作流體壓力對(duì)引射系數(shù)的提高無(wú)積極作用。

如圖10所示，選取引射器噴嘴出口(A)、混合室等直段兩端(B和C)、擴(kuò)散器出口(D)4個(gè)截面，對(duì)比不同工作壓力下各截面的馬赫數(shù)分布。

圖10 截面位置圖Fig.10 Section position distribustion

從圖11可以看出，當(dāng)工作壓力從1.07 MPa提高到1.47 MPa時(shí)，流體的流速整體得到提高，其中A,B兩截面上的馬赫數(shù)增大體現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸(y=0 mm)附近的極值點(diǎn)增多，即軸線(xiàn)附近流體的馬赫數(shù)數(shù)值整體增高；而混合室等直段出口和引射器出口(即C，D截面)處的馬赫數(shù)分布變化明顯，C截面對(duì)稱(chēng)軸位置的馬赫數(shù)由2.18增大到2.72，D截面同位置的馬赫數(shù)由0.26變化為0.62。這是由于隨著工作流體壓力的升高，引射器內(nèi)流體相互作用產(chǎn)生的激波鏈強(qiáng)度增加(如圖12所示)，噴嘴出口的流體速度整體提高較大，故流體通過(guò)擴(kuò)壓器等直段后馬赫數(shù)增大明顯。因此，適當(dāng)增大工作流體壓力，可提高流體的速度，從而使引射器抽吸能力得到提升。

圖11 不同工作壓力下的馬赫數(shù)分布圖Fig.11 Mach number distribution under different working pressures

圖12 引射器速度分布云圖Fig.12 Velocity distribution in ejector

3.4 引射流體壓力的影響

為了研究引射流體壓力對(duì)引射器性能的影響，參考試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置工作流體入口壓力pp為1.27 MPa，然后分別取引射流體入口壓力ph為12 kPa，19 kPa，26 kPa，33 kPa，40 kPa，47 kPa及54 kPa，模擬結(jié)果如圖13所示。不同引射壓力下的馬赫數(shù)分布如圖14所示。

圖13 引射流體壓力的影響Fig.13 Effect of ejection fluid pressure

圖14 不同引射壓力下的馬赫數(shù)分布圖Fig.14 Mach number distribution diagram under different ejection pressure

分析可知，隨著引射流體壓力的升高，工作流體流量不變，而引射流體的流量不斷增加，因此引射系數(shù)隨引射流體壓力的增大而提高。從引射器工作機(jī)理上分析，原因主要為：增加引射流體壓力，會(huì)使噴嘴出口處工作流體與引射流體的壓差變大，引射流體進(jìn)入接受室的推動(dòng)力得以增大，促進(jìn)了2種流體的混合，從而提高了引射系數(shù)。因此，可以通過(guò)適當(dāng)提高引射流體壓力，使引射系數(shù)增加。

同樣選取圖10所示A，B，C，D這4個(gè)截面，由圖14可知，引射流體壓力從12 kPa提高到54 kPa，各截面處的馬赫數(shù)分布變化較大，B截面處的馬赫數(shù)值明顯降低，軸線(xiàn)位置的馬赫數(shù)值由2.97變?yōu)?.15，這是因?yàn)橐淞黧w壓力越高，流量越大，則激波鏈有效長(zhǎng)度增加，激波鏈發(fā)展更加充分、強(qiáng)度降低，混合流體流速下降(如圖7所示)；而C,D截面處的馬赫數(shù)值均略有提高，這是因?yàn)楫?dāng)引射壓力提高時(shí)，被吸入的引射流體流量增大，從而導(dǎo)致出口壓力稍有升高。因此，引射流體壓力過(guò)高時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致引射器抽吸能力的降低。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析，可以得到如下結(jié)論：

1)對(duì)引射器內(nèi)部流場(chǎng)的模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比誤差較小，相關(guān)分析結(jié)果可以為優(yōu)化引射方案提供參考。

2)引射流體中水蒸氣含量增大會(huì)導(dǎo)致引射器引射系數(shù)的降低，故該型引射器在使用時(shí)應(yīng)控制引射流體中水蒸氣所占的比例。

3)引射流體壓力一定，該型引射器的引射系數(shù)隨著工作流體壓力的提高而稍有降低，但引射器抽吸能力增強(qiáng)；反之，增大引射流體壓力，引射系數(shù)上升，而引射器抽吸能力降低。故在工作參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮兩個(gè)壓力的影響，方能獲得能力均衡、性能完善的引射器工作工況。