基于CFD 的空氣噴射器輔助結(jié)構(gòu)研究

周三平，張旭坤

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

噴射器是將工作流體所攜帶的能量傳遞給引射流體的裝置，其最大特點是能夠提高流體的壓力而不消耗機械能，常用于高壓流體抽吸低壓流體的場合，由于沒有機械傳動部件，具有不消耗機械能、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、維修便捷等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機械、石油化工、制冷、輕工等行業(yè)。

噴射器的研究有非常久遠的歷史。早在20 世紀末，G.Zenner 和M.Rankin 就基于混合的流體應(yīng)用動量方程，提出了噴射器的理論基礎(chǔ)[1]，在后來的研究中被廣泛引用，并用實驗加以驗證。但是該理論存在一定的缺陷，不能夠完全解決噴射器的計算問題，諸如噴射器的剖面形狀、軸向尺寸等。隨著流體力學(xué)和氣體動力學(xué)研究的深入，噴射器的普遍性理論和計算方法被建立起來[2]，隨后Elord、Dutton、Keenan 和Neumann 等一大批學(xué)者對噴射器的設(shè)計和理論做了進一步的完善[3-7]?，F(xiàn)有的噴射器的設(shè)計方法，主要是前蘇聯(lián)的索科洛夫提出的一整套設(shè)計方法[8]，國內(nèi)學(xué)者陸宏圻也出版總結(jié)了研究成果并闡述了理論體系[9]，但是這些理論并不能適用于所有的噴射器結(jié)構(gòu)和工況。針對此問題，陳洪杰等人[10]引入單相及兩相流聲速計算模型，提出了基于實際氣體的圓柱形混合室噴射器設(shè)計方法，周三平等人[11]則對噴射器的氣體動力函數(shù)法的真實氣體做了修正。這些研究在一定程度上完善了噴射器的設(shè)計理論。基于動力學(xué)函數(shù)的索科洛夫設(shè)計方法，只對橫截面積進行了設(shè)計，對軸向長度基本都是基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出的，所以在采用索科洛夫設(shè)計方法對噴射器進行設(shè)計之后，需要對所設(shè)計的噴射器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

本文采用索科洛夫設(shè)計方法，先對空氣噴射器的初始尺寸進行設(shè)計，再利用計算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件Fluent，對該噴射器的噴嘴距、混合室長度和噴嘴喉部長度等軸向尺寸對噴射器性能的影響，進行了計算流體力學(xué)數(shù)值模擬，以獲取空氣噴射器的最佳軸向長度。

1 噴射器初始尺寸確定

噴射器主要由噴嘴、吸入室、混合室、擴壓器等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。選用索科洛夫提出的基于氣體動力學(xué)函數(shù)法的經(jīng)驗公式，對噴射器的初始尺寸進行設(shè)計。工作流體溫度為200℃，壓力為5MPa；引射流體溫度為20℃，壓力為20kPa，流量大于25kg·h-1；混合流體出口壓力為50kPa。依據(jù)索科洛夫經(jīng)驗公式，設(shè)計的噴射器的各結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示。

表1 空氣噴射器結(jié)構(gòu)尺寸計算結(jié)果

圖1 空氣噴射器結(jié)構(gòu)簡圖

2 基于CFD 的空氣噴射器輔助設(shè)計

采用計算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件，對基于索科洛夫設(shè)計方法得出的噴射器的噴嘴距、混合室長度和工作噴嘴喉部長度等3 個軸向尺寸進行數(shù)值模擬，從而得出最佳軸向尺寸。

2.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分

運用Ansys Workbench 中的Design Modeler 模塊對空氣噴射器進行建模，考慮到引射流體的速度相對于工作流體非常小，可以認為其對噴射器內(nèi)部流場的影響可以忽略不計，因此將引射流體的徑向入口改為軸向入口，此時噴射器結(jié)構(gòu)為軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，可以簡化為二維結(jié)構(gòu)并取一半的區(qū)域進行研究。為了提高網(wǎng)格精度，采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用Mesh 模塊進行網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格單元數(shù)176200個，部分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 空氣噴射器部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)學(xué)模型

對于空氣噴射器，工作流體、引射流體及其混合流體的流動過程，遵守質(zhì)量方程、能量方程和動量方程，如式（1）、（2）、（3）所示。

式中，ρ為密度；▽為哈密頓算子；T 為開氏溫度，P 為壓力；uij為速度在對應(yīng)方向的分量；τ為切向速度；αeff為有效導(dǎo)熱系數(shù)；τij為Reynold 應(yīng)力項。

2.3 數(shù)值模擬方法與邊界條件

采用Fluent 軟件進行數(shù)值模擬，控制方程采用歐拉雙流體模型，湍流模型采用Realizable k-ε，壁面用標準壁面函數(shù)，選擇Coupled 算法進行算法迭代。為保證精度，動量方程、湍動能方程及湍流耗散率方程均采用二階迎風格式離散。

噴射器的進出口均選用壓力邊界條件，工作流體入口5MPa，引射入口壓力0.02MPa，混合流體出口壓力0.05MPa。

2.4 噴射器的性能指標

噴射器性能可以用噴射系數(shù)來表征。噴射系數(shù)指的是引射流體與工作流體的質(zhì)量流量之比，如式（4）所示。

式中，Gh為引射介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg·s-1；Gp為工作介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg·s-1，可以從模擬結(jié)果中讀取。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 噴嘴喉部長度對噴射系數(shù)的影響

采用數(shù)值模擬方法，分別對噴嘴喉部長度Lp*為3.4mm、4.4mm、5.4mm、6.4mm、7.4mm、8.4mm 時的6 組數(shù)據(jù)進行了數(shù)值模擬，得到了噴嘴喉部長度對噴射系數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果見圖3。由圖3 可知，隨噴嘴喉部的長度增加，噴射系數(shù)為先上升后下降，當長度為5.4mm 時，噴射器的噴射系數(shù)最大。

圖3 噴嘴喉部長度對噴射系數(shù)的影響

3.2 噴嘴距對噴射系數(shù)的影響

采用數(shù)值模擬的方法，分別對噴嘴距Lc為64mm、74mm、84mm、94mm、104mm、124mm、134mm、144mm 時的8 組噴射器模型進行了數(shù)值模擬研究，獲得了噴嘴距對噴射系數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果見圖4。從圖4 可以看出，當噴嘴距的長度在64～74mm 之間時，噴射系數(shù)u 隨噴嘴距長度的增加而增大；噴嘴距的長度大于74mm 后，噴射系數(shù)u 隨噴嘴距長度的增加而減?。粐娚淦鞯膰娮炀嚅L度為74mm 時，噴射系數(shù)u 的值達到最大值。

圖4 噴嘴距對噴射系數(shù)的影響

3.3 混合室長度對噴射系數(shù)的影響

采用數(shù)值模擬方法，分別對混合室LK長度為250mm、255mm、260mm、265mm、270mm、280mm、300mm、310mm、320mm 的9 組數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬研究，得到混合室長度對噴射系數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果見圖5。由圖5 可以看出，噴射系數(shù)隨混合室長度的增大而增大，達到300mm 以后，再逐漸減小。

圖5 混合室長度對噴射系數(shù)的影響

4 結(jié)論

1）噴嘴的喉部長度、噴嘴距和混合室長度對噴射系數(shù)的影響規(guī)律基本相似，噴射系數(shù)均先逐漸增大，達到最大值后再逐漸減??；

2）噴嘴的喉部長度、噴嘴距和混合室長度的最佳值分別為74mm、300mm 和5.4mm。與設(shè)計尺寸進行對比后可知，用索科洛夫設(shè)計方法所設(shè)計的噴射器并不是性能最好的。