幾何尺寸對空氣噴射器性能的影響研究

周三平，張 瓚

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065）

噴射器是一種利用高壓流體來抽吸低壓流體的流體機械，具有結(jié)構(gòu)簡單、維修便捷、易于實現(xiàn)自動化、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，被廣泛用于電力、制冷、石油、化工等領(lǐng)域，噴射器的結(jié)構(gòu)與性能越來越被人們重視。

噴射器的噴嘴及各部分的結(jié)構(gòu)對噴射器性能有重要影響，目前的研究多是針對噴嘴的結(jié)構(gòu)形狀對噴射器性能的影響。薛康康等[1]對噴嘴形狀進行了優(yōu)化，提出采用花瓣形噴嘴，用提高氣流混合效率的方法來提升噴射器性能。王雨風等[2]通過優(yōu)化噴嘴段結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高噴射效率。劉昌鵬等[3]采用更適合兩相流動的等速度梯度數(shù)學方法，來優(yōu)化噴射器噴嘴的型線，以得到良好品質(zhì)的出口流場。還有許多專家學者對噴嘴之外的其余結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進行了研究[4-8]，但對噴射器的噴嘴距、混合室出口截面積與噴嘴臨界截面積之比、混合室的長度與直徑之比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴射器性能影響的研究不多。

本文運用計算流體力學數(shù)值模擬軟件Fluent，對空氣噴射器的噴嘴距、混合室出口截面積與噴嘴臨界截面積之比、混合室的長度與直徑之比等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了二維數(shù)值模擬，以獲得噴射器的幾何尺寸對噴射系數(shù)及噴射器噴射效率的影響規(guī)律。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何尺寸

噴射器主要由噴嘴、接受室、混合室、擴散器等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。依據(jù)索科洛夫等學者提出的基于氣體動力學函數(shù)法的經(jīng)驗公式，對噴射器各部分結(jié)構(gòu)尺寸進行計算[9]，所得結(jié)果見表1。

圖1 噴射器結(jié)構(gòu)簡圖

表1 噴射器幾何尺寸

1.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

幾何建模采用ANSYS workbench 平臺下的Design Modeler 模塊。與噴射器內(nèi)部巨大的速度相比，噴射器引射流體的進口速度非常小，因此它對噴射器內(nèi)部流場的影響非常小，可以把引射流體的徑向進口簡化成軸向進口，進口面積相等，這樣三維的噴射器變成完全旋轉(zhuǎn)體，從而將其簡化成二維的幾何平面，既可以節(jié)省計算資源，優(yōu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，又不失計算的精度。

網(wǎng)格劃分利用ANSYS workbench 平臺下的Mesh 模塊，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以提高網(wǎng)格質(zhì)量。為了節(jié)省篇幅，此處僅展示部分網(wǎng)格劃分(圖2)。最終網(wǎng)格劃分總數(shù)量為65292 個，節(jié)點數(shù)為66561。

圖2 噴射器部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬方法及數(shù)學模型

2.1 數(shù)學模型

噴射器中的工作流體和引射流體，均遵循質(zhì)量守恒方程[式(1)]、能量守恒方程[式(2)]和動量守恒方程[式(3)]。

式中：φ為氣相體積分數(shù)；ρ為密度；uvu為質(zhì)點速度分量；Δ為哈密度算子；uvu為流體的平均速度；σij為外界作用在體系邊界上的應力；qi為熱流密度；fi為流體體積力。

2.2 數(shù)值模擬方法與邊界條件

空氣噴射器內(nèi)部的流動為湍流運動，且空氣為可壓縮氣體，數(shù)值模擬中的求解器采用基于壓力法的求解器。湍流模型選擇Realizable k-ε模型，壁面函數(shù)選擇標準壁面函數(shù)即standard wall functions，算法選擇Coupled 算法。為了提高精度，動量方程、湍動能方程及湍流耗散率方程均采用QUICK 格式離散。空氣噴射器工作空氣入口選用壓力入口邊界條件，引射空氣入口選用壓力入口，混合空氣出口選用壓力出口，壓力大小依據(jù)需要確定。

2.3 數(shù)值模擬方法驗證

使用上述數(shù)值模擬方法，對文獻[10]中實驗所用的蒸汽噴射器進行數(shù)值模擬，實驗用噴射器的主要結(jié)構(gòu)尺寸如表2 所示，工作蒸汽壓力為0.45MPa，引射蒸汽壓力分別為0.11MPa、0.12MPa、0.13MPa、0.14MPa、0.15MPa。將數(shù)值模擬結(jié)果與文獻[10]中的實驗結(jié)果進行比較，結(jié)果如表3 和圖3 所示。由表3 和圖3 可以看出，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，誤差不太大，說明數(shù)值模擬方法是可靠的。

表2 實驗用噴射器的主要結(jié)構(gòu)尺寸

表3 引射壓力變化時噴射系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較

圖3 不同引射壓力下噴射系數(shù)的模擬值與實驗值的比較

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 噴射器的性能指標

噴射器性能可以用噴射系數(shù)和噴射效率來表征。

1）噴射系數(shù)。噴射系數(shù)是引射流體與工作流體的質(zhì)量流量之比，表達式見式（4）。

式中：GH為引射流體的質(zhì)量流量，kg·s-1；GP為工作流體的質(zhì)量流量，kg·s-1。

2）噴射效率。噴射效率用引射流體所獲得的工作能力與工作流體所喪失的工作能力之比表示，表達式見式（5）。

式中：eC、eH、eP為混合流體、引射流體、工作流體的單位工作能力。

3.2 噴嘴距對噴射器性能的影響

用數(shù)值模擬方法，分別對噴嘴距為64.862mm、74.862mm、84.862mm、94.862mm、104.862mm、114.862mm、124.862mm、134.862mm、144.862mm、154.862mm、164.862mm 的11 組模型的噴射器進行數(shù)值模擬，獲得了噴嘴距對噴射系數(shù)和噴射效率的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，噴射系數(shù)和噴射效率隨噴嘴距的變化規(guī)律基本相似，隨噴嘴距的增大，噴射系數(shù)和噴射效率先增大，達到最大值后逐漸減??；噴嘴距為85mm 左右時，噴射系數(shù)和噴射效率最大。因此，噴嘴距的最佳值為85mm。

圖4 噴射系數(shù)和噴射效率隨噴嘴距的變化曲線

3.3 混合室出口截面積與噴嘴臨界截面積之比對噴射器性能的影響

分別對混合室出口截面積與噴嘴臨界截面積之比 為4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24 的11 組 噴射器模型進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5 所示。從圖5可以看出，噴射系數(shù)和噴射效率隨混合室出口截面積與噴嘴臨界截面積之比的變化規(guī)律基本相同，隨著兩者面積之比增大，噴射系數(shù)和噴射效率均先逐漸增大，達到最大值后再逐漸減??；兩者面積之比為14 時，噴射系數(shù)和噴射效率均達到最大。因此，兩者面積之比的最佳值為14。

圖5 噴射系數(shù)和噴射效率隨混合室與噴嘴臨界截面積之比的變化曲線

3.4 混合室長度與直徑之比對噴射器性能的影響

分別對混合室長度與直徑之比為2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 的10 組噴射器模型進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，噴射系數(shù)和噴射效率隨混合室長徑比的變化規(guī)律基本相同，隨著混合室長徑比增大，噴射系數(shù)和噴射效率均先逐漸增大，達到最大值后再逐漸減??；混合室的長徑比為5時，噴射系數(shù)和噴射效率均達到最大。因此，混合室長徑比的最佳值為5。

圖6 噴射系數(shù)和噴射效率隨混合室長徑比的變化曲線

4 結(jié)論

1）噴射器的噴嘴距、混合室出口截面積與噴嘴臨界截面積之比、混合室的長徑比對噴射系數(shù)和噴射效率的影響規(guī)律基本相似，隨這三者的增大，噴射系數(shù)和噴射效率均先逐漸增大，達到最大值后再逐漸減?。?/p>

2）噴射器的噴嘴距、混合室出口截面積與噴嘴臨界截面積之比、混合室長徑比的最佳值，分別為85mm、14 和5。