蒸汽噴射器內(nèi)部發(fā)生機理研究進展

李東哲，周峰，趙雅倩

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部，北京，100124）

水蒸氣噴射制冷系統(tǒng)因其采用自然工質(zhì)、結(jié)構(gòu)簡單可靠等優(yōu)勢，得到越來越多的關(guān)注。蒸汽噴射器作為系統(tǒng)關(guān)鍵部件，其性能的研究也是重點之一。流體在蒸汽噴射器內(nèi)部流動時，會產(chǎn)生跨音速流動、激波、壅塞等復(fù)雜的現(xiàn)象，同時還具有劇烈的動量和能量交換，歸納總結(jié)各種噴射器的理論模型來對噴射器內(nèi)部流動過程進行數(shù)值模擬和實驗研究，分析外部工況變化對噴射器內(nèi)部流動情況的影響，對噴射器的設(shè)計及性能的提高具有重要意義。

1 數(shù)值模擬研究

1.1 蒸汽噴射器內(nèi)部流動狀態(tài)的研究

早在20世紀(jì)30年代，德國一些研究學(xué)者就對蒸汽的凝結(jié)機理和成核問題進行了積極的探討。1936年，Prandtl等［1］首先在流出噴嘴的超聲速流體中發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的凝結(jié)激波。1966年Hill等［2］比較了超音速噴嘴中應(yīng)用濕蒸汽模型與應(yīng)用經(jīng)典成核理論模型的差距。20世紀(jì)90年代，蔡頤年教授建立了濕蒸汽兩相流基地，在國內(nèi)開始開展蒸汽相變凝結(jié)問題的研究。李亮等［3］對噴射器濕蒸汽兩相流動的自發(fā)凝結(jié)進行了數(shù)值模擬，給出了守恒型的兩相流流動控制方程組及數(shù)值求解方法，而后陳紅梅等［4］又對透平級中自發(fā)凝結(jié)及葉柵中非均質(zhì)凝結(jié)流動進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，透平級環(huán)境下的凝結(jié)不僅使流動模式發(fā)生了變化,也改變了級的反動度。2006年，李海軍等［5］基于蒸汽的真實物性公式，利用二維N-S方程對噴射器內(nèi)部的流動混合過程進行模擬，來研究激波的產(chǎn)生及變化規(guī)律。研究表明激波會出現(xiàn)在兩個位置，一個是噴嘴出口處，另一位置就是擴壓室的起始端。根據(jù)軸向壓力的變化來判斷激波的情況，如圖1所示，圖中兩條豎線分別代表混合室等面積段的起始截面和終止截面。從圖中可以看出，噴嘴出口后的壓力及馬赫數(shù)是波動的,這主要是由于斜激波的影響。宋力釗等［6］對噴射器內(nèi)部的壓力、速度、溫度等的變化情況進行數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工作蒸汽流經(jīng)噴嘴出口時，有激波產(chǎn)生，導(dǎo)致噴嘴出口速度驟降，壓力、溫度急速上升，這與李海軍等人得出的結(jié)論一致。

圖1 噴嘴出口后軸線上壓力的分布

2010年，董敬亮［7］利用Fluent軟件，對噴射器內(nèi)部流動進行了數(shù)值模擬。提出了激波混合層位置的確定方法，并對噴射泵內(nèi)兩股流體流動區(qū)域進行了劃分，借助激波混合層，為找到引射蒸汽流動發(fā)生壅塞的位置提供了便利。2014年，楊勇等［8］通過數(shù)值模擬方法對噴射器內(nèi)部的復(fù)雜流動情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)了工作流體出主噴嘴后會經(jīng)歷壓縮波、膨脹波等一系列菱形激波，在工作流體與引射流體壓力不變的情況下，混合流體出口壓力對這種菱形激波影響較小。2017年，武洪強［9］對噴射器中跨聲速水蒸氣凝結(jié)流動過程進行了數(shù)值模擬，分析了水蒸氣非平衡凝結(jié)和凝結(jié)激波的產(chǎn)生過程和原因，研究發(fā)現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)對噴管內(nèi)蒸汽流場的影響非常顯著，與未考慮凝結(jié)的模擬結(jié)果相比，混合室出口壓力比進口總壓升高了約0.05倍。2019年，Zhang等［10］提出了用于含有不凝性氣體的蒸汽噴射器設(shè)計的數(shù)值模型，研究了不凝性氣體對水噴射系統(tǒng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)噴射器性能隨著不凝性氣體的升高先上升后下降。2021年，李熠橋等［11］結(jié)合水蒸氣真實物性和非平衡凝結(jié)情況下，分析了不同近壁面函數(shù)對模擬結(jié)果的影響。

1.2 外部工況發(fā)生變化對噴射器的內(nèi)部流動狀態(tài)的影響

各國學(xué)者針對工作蒸汽壓力、引射蒸汽壓力、背壓等工況變化時，噴射器的內(nèi)部流動狀態(tài)進行了詳細(xì)研究［12-13］。2004年，Chunnanond［14］對混合蒸汽沿著噴射器軸線方向內(nèi)部流動情況進行了分析，得到不同操作參數(shù)條件下，混合蒸汽在噴射器內(nèi)部的壓力變化情況。得出要想蒸汽噴射器的引射系數(shù)最大，必須要找到一個冷凝壓力，我們稱之為臨界冷凝壓力。2009年，王曉東［15］等基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，對不同背壓、工作氣體溫度等操作條件下水蒸氣噴射泵內(nèi)部工作蒸汽與被抽氣體間的流動與混合行為進行了數(shù)值模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著背壓的升高，擴壓器或喉部的激波移向上游，當(dāng)背壓低于臨界背壓，引射比一定時，激波出現(xiàn)在混合室的下游；研究還發(fā)現(xiàn)隨著工作流體溫度、臨界背壓的上升，激波位置移到下游。2011年，雷宏健［17］等針對水蒸氣噴射泵內(nèi)部濕蒸汽兩相流動進行了數(shù)值模擬，分析了工作蒸汽參數(shù)對自發(fā)凝結(jié)產(chǎn)生的重要影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)工作蒸汽狀態(tài)對泵內(nèi)部兩相流流場結(jié)構(gòu)影響較大，凝結(jié)量與工作蒸汽飽和溫度正相關(guān)。2014年，張軍強［16］對不同操作條件下，水蒸氣噴射器內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，背壓對噴射器內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)有影響很大，引射蒸汽壓力、工作蒸汽狀態(tài)也會對其流場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

1.3 水蒸氣噴射器中流體的邊界層分離對性能的影響

2017年，Tang等［18］等對混合效率和引射系數(shù)間的關(guān)系進行了探討，詳細(xì)說明了工作流體與引射流體在噴射器中的混合位置、方式及程度，討論了在不同工況下兩種流體混合邊界層的生長、引射系數(shù)和質(zhì)量傳遞。結(jié)果表明混合始于混合室入口的波動邊界層，在臨界運行模式下，混合層先后經(jīng)歷了波動和指數(shù)增長，但在亞臨界模式下，混合層的發(fā)展受到嚴(yán)重阻礙。2019年，Han［19］基于CFD方法對噴射器內(nèi)部邊界層分離的原因、分離區(qū)域的確定和邊界層分離對噴射器的性能影響進行了全面的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，恒定工況下，噴嘴喉部直徑和出口位置在一定范圍內(nèi)，噴射器處于臨界狀態(tài)，此時具有較好的泵送性能，如圖2所示。喉部直徑小或大，或者噴嘴出口位置較大時，流體邊界層的分離會加劇，混合流體無法克服背壓從噴射器中排出，此時噴射器的效率下降至零，出現(xiàn)故障。

圖2 背壓對噴射器泵功的影響

2 實驗研究

除了采用數(shù)值模擬的方法對噴射器內(nèi)部的流動進行研究外，采用可視化的實驗方法監(jiān)測噴射器的內(nèi)部流動的特征也是一種必要的手段。對于噴射器的可視化研究，大致可分為四種方法：紋影法、激光散射法、直接成像法和粒子圖像測速法。2001年，Desevaux［20］使用激光束層析照相技術(shù)，實驗研究了工作蒸汽和引射蒸汽的混合過程。他們在研究過程中使用不同的光源、偏正方向和追蹤方法，得到一系列照片，從而對流體流態(tài)、激波、湍流結(jié)構(gòu)和流動不穩(wěn)定性進行了可視化分析，并測得混合過程中的未混合部分的長度。然而，成功的可視化研究僅能在引射系數(shù)較低的情況下實現(xiàn)。當(dāng)引射系數(shù)較高時，此技術(shù)對混合區(qū)域內(nèi)流動情況的捕捉能力明顯下降，準(zhǔn)確性也隨之降低。因此，對于噴射泵內(nèi)部流動的研究，激光束層析照相技術(shù)仍然需要進一步改進。2013年，Srisha［21］等應(yīng)用瞬時紋影和激光散射技術(shù)相結(jié)合的方式得到噴射器內(nèi)部清晰的流體流動過程，進而推斷了兩股流體未混合部分的長度。同年，王濤等［22］搭建了噴射器的粒子圖像測速可視化實驗臺，研究了不同標(biāo)記粒子對噴嘴出口流場的影響。2019年，湯永智［23］等對噴射器內(nèi)部超音速流動與混合過程進行了實驗研究，利用直接成像法來捕捉混合過程中的凝結(jié)、再蒸發(fā)和壅塞等現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)大量動力失衡的凝結(jié)液滴存在于工作蒸汽射流中，引射蒸汽在混合室末端會發(fā)生壅塞現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)，在壅塞截面下游，凝結(jié)液會發(fā)生多次再蒸發(fā)現(xiàn)象，在靠近引射蒸汽入口處，凝結(jié)流存在一定的堆積、震蕩等現(xiàn)象，在壅塞截面上游，濕蒸汽射流過程會將液滴甩落于壁面，凝結(jié)流與其融合后于混合室前端形成膜狀凝結(jié)流與順時針環(huán)狀流。

實驗中產(chǎn)生的凝結(jié)流使引射蒸汽的有效流通面積減小，故在漸縮通道內(nèi)引射蒸汽的流動會受到一定的影響。并在此基礎(chǔ)上，近一步對混合室內(nèi)流體的流動過程進行可視化研究，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引射蒸汽入口壓力增大，液膜或多股水流形成的位置越靠前，其開始形成位置反映了壁面附近流體速度沿壁面位置增大的快慢。

3 結(jié)論

通過對蒸汽噴射器內(nèi)部發(fā)生機理的分析，對其內(nèi)部流場有了更為清楚的認(rèn)識。目前對噴射器內(nèi)部流場特性主要是在設(shè)計工況下研究，但噴射器實際運行中常常會偏離設(shè)計工況。因此為了保證噴射器穩(wěn)定性，提升噴射器的使用范圍，在今后的研究中，應(yīng)加強在非設(shè)計工況下噴射器內(nèi)部流動特性的研究，為后續(xù)噴射器的優(yōu)化提供理論支持。