（热能工程专业论文）气液两相喷射器的实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 气液两相喷射器装置是一种以高压蒸汽作为动力源的特殊的射流泵。高压蒸汽经过 蒸汽喷嘴加速后成为超音速气流，与低压给水混合形成超音速气液两相流，到达混合腔 喉部后产生凝结激波，压力突变，得到压力高于蒸汽压力、温度高于低压给水温度的高 压水流，达到升温升压的目的。其实质是将蒸汽凝结所释放的热量中部分可用能转化为 势能以提高水的压力。 本文采用气液两相喷射器数学模型，对气液两相喷射器进行了性能计算与结构设 计；对气液两相喷射器实验台装置中涉及的设备、测量仪器进行选型，布置管路，搭建 气液两相喷射器装置实验台；利用搭建好的实验台进行气液喷射实验，并获得实验数据； 通过对气液两相喷射器实验数据进行分析，研究各因素对出口压力的具体影响。 混合腔喉部直径为1 6 m m ，蒸汽喷嘴喉部直径为2 2 m m 的喷射实验：入口蒸汽压 力为0 5 m p a ，进口低压水温为8 。c ，实验现象为：没有水吸进混合室，蒸汽喷嘴出口处 形成正压，将水从水喷嘴中压回水箱方向；混合腔喉部直径为1 6 m m ，蒸汽喷嘴喉部直 径为1 o m m 的喷射实验：入口蒸汽压力为0 5 m p a ，进口低压水温为8 。c ，实验现象为： 有吸水的趋势，但蒸汽喷嘴出口处仍形成正压，将水从水喷嘴中压回水箱方向；混合腔 喉部直径为3 1 m m ，蒸汽喷嘴喉部直径为2 2 r a m 的喷射实验：入口蒸汽压力0 3 5m p a ， 进口低压水温为8 。c ，实验现象为：5 秒时间内吸水量为2 9 9 4 m l ，调节出口背压阀，出 口压力最大达到o 0 5 m p a ，出口水温达到7 8 。c ，折合喷射系数为1 0 4 0 9 。 通过实验数据可以分析得出：出口水压力随低压进口水温度的增加而降低；随入口 蒸汽压力的增加有一个最佳值；混合腔喉部直径与蒸汽喷嘴喉部直径之比越低，升压效 果越好等。 本文以实验为基础，通过对实验数据进行分析和整理，对影响气液两相喷射器升压 效果的重要影响因素进行分析研究，为气液两相喷射器装置在工业上的推广应用打下了 良好基础。 关键词：气液喷射器；蒸汽喷嘴；超音速；气液两相流 气液两相喷射器的实验研究 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fg a s - - l i q u i dt w o - - p h a s ee je c t o r a b s t r a c t g a s 1 i q u i dt w o - p h a s ee j e c t o ri sak i n do fs p e c i a lj e tp u m pw i t hh i g hp r e s s u r es t e a ma s t h em o t i v ep o w e r w h e nh i g hp r e s s u r es t e a mg o e st h r o u g ht h es t e a mn o z z l e ，i tw i l ls p e e du p a n db e c o m es u p e r s o n i cf l o w t h e n ，t h i ss u p e r s o n i cf l o wm i x e sw i t hl o wp r e s s u r ew a t e ra n d b e c o m e ss u p e r s o n i ct w o p h a s ef l o wi nt h em i x i n gs e c t i o n t h es t e a mc o n d e n s e sa n dt h e v e l o c i t yd e c r e a s e sw h i l et h ew a t e rs p e e d su p a f t e r w a r d s ，t h em i x t u r ea r r i v e sa tt h em i x i n g c h a m b e rt h r o a t ，u n d e r g o i n gac o n d e n s a t i o ns h o c kw a v ew i t has u d d e nr i s eo ft h ew a t e r s p r e s s u r e a tt h ee n do ft h ed i f f u s e r , t h em i x t u r ec a ng e tah i g h e rp r e s s u r et h a nt h ei n l e to n e s t h es u p e r s o n i ct w o - p h a s ef l o wf i n a l l ya c h i e v e st h a tt h es u c t i o nw a t e rc a nb et r a n s f e rt oa h i g h e r - p r e s s u r er e g i o n ，w h e r em a y b eab i to v e rt h a nt h em o t i v ep r e s s u r e 1 1 1 ek e yp o i n to f t h i se j e c t o ri st oi n c r e a s et h ew a t e r sp r e s s u r eb yu s i n gt h ep o t e n t i a le n e r g yf r o mt h eh i g h p r e s s u r es t e a m b a s e du p o nt h eg a s - l i q u i dt w o - p h a s ee j e c t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h eg a s l i q u i de j e c t o r p e r f o r m a n c ea n dt h es t r u c t u r a ld e s i g nh a sb e e na c c o m p l i s h e d 1 1 1 ed e v i c e s t h em e a s u r i n g i n s t r u m e n t s ，t h ep i p e l i n e sa n dd i s p o s a lh a v eb e e na r r a n g e d ，t h u st h eg a s - l i q u i dt w o p h a s e e j e c t o re x p e r i m e n ts e th a sb e e nb u i l t a n dt h e n ，b a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h ev a r i o u sf a c t o r sw h i c hh a v es p e c i f i ci m p a c t so nt h eo u t l e tw a t e r sp r e s s u r eh a v eb e e n s t u d i e d t h em i x i n gc h a m b e rn o z z l ed i a m e t e ri s1 6 m m ，t h es t e a mn o z z l ed i a m e t e ri s2 2 m m ， i n l e ts t e a mp r e s s u r ei s0 5 m p a a n dt h ei n l e tw a t e rt e m p e r a t u r ei s80 c i ts h o w s ：t h e r e sn o w a t e rb e i n gs u c k e di n t ot h em i x i n gc h a m b e r ；1 1 1 em i x i n gc h a m b e rn o z z l ed i a m e t e ri s1 6 m m ， t h es t e a mn o z z l ed i a m e t e ri s1 0 m m i n l e ts t e a mp r e s s u r ei s0 5 m p a , a n dt h ei n l e tw a t e r t e m p e r a t u r ei s8 c i ts h o w s ：t h e r e ss t i l ln ow a t e rb e i n gs u c k e di n t ot h em i x i n gc h a m b e r ，b u t h a st h et e n d e n c yo fs u c k i n gw a t e r ；t h em i x i n gc h a m b e rn o z z l ed i a m e t e ri s3 1 m m t h es t e a m n o z z l ed i a m e t e ri s2 2 m m ，i n l e ts t e a mp r e s s u r ei s0 3 5 m p a ，a n dt h ei n l e tw a t e rt e m p e r a t u r ei s 8 i ts h o w s ：t h ew a t e ri ss u c k e da n dt h ev o l u m ei n5s e c o n di s2 9 9 4 m l ，t h eo u t l e tw a t e r s p r e s s u r ei s0 0 5 m p a , t h eo u t l e tw a t e r st e m p e r a t u r ei s7 8 ，t h ej e tc o e f f i c i e n ti s10 4 0 9 t h eo u t l e tw a t e r sp r e s s u r eh a sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n l e tw a t e r s t e m p e r a t u r e ；t h eo u t l e tw a t e r sp r e s s u r ec a ng e tao p t i m a lp o i n tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n l e t s t e a m sp r e s s u r e ；t h el e s sr a t i o ( t h em i x i n gc h a m b e rn o z z l ed i a m e t e r t h es t e a mn o z z l e d i a m e t e r ) t h em o r eo u t l e tw a t e r sp r e s s u r ec a ng e t 大连理工大学硕士学位论文 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ah a sb e e na n a l y z e da n ds t u d i e d ，a n dt h e i m p o r t a n ti n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h ep r e s s u r i z eo fw a t e rh a v eb e e nf o u n do u t , s ot h a tt h ew h o l e c a l c u l a t i o nm o d e lh a sb e e ni m p r o v e d i naw o r d ，t h er e s e a r c h i m p r o v e st h et h e o r yo f t w o p h a s ee j e c t o ra n dh a sv a l u ei nd e s i g na n da p p l i c a t i o no fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ee j e c t o r ； f u r t h e r m o r e ，i tf o r m st h eb a s i so fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：g a s - l i q u i de j e c t o r ；s t e a mn o z z l e ；s u p e r s o n i c ；t w o p h a s ef l o w 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 垒噩塞匣扭堕坠垦窒丝查奎叠： 作者签名：当! 塾垫氢日期：兰型年l 月兰l 日 大连理i 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 4 - j - - 一 1 1 刖舌 喷射器是一种应用非常广泛的流体机械，它利用工作流体的射流作用来传递能量和 质量。多年来以其结构简单、加工容易、成本低、工作可靠安全、维护方便等优点在动 力、石油化工、冶金、制冷、热工以及农业等技术领域中得到广泛的应用。 根据主流和引射流的特点，可以将喷射器划分为不同形式：气气喷射器、气液喷射 器、液液喷射器等形式。 喷射器是1 9 0 1 年由c h a r l e sp a r s o n s 发明的，其最初的目的是为了将水蒸汽冷凝器中 的空气排出去。1 9 1 0 年，m a u r i c el e b l a n c 第一次将喷射器用在了水蒸汽制冷系统中【l j 。 图1 1 所示为典型喷射器结构示意图。高压蒸汽，通常称为工作蒸汽，经工作喷嘴 膨胀、加速，在喷嘴出口以超音速喷出并且形成真空，然后进入混合室。由于压力差， 次高压蒸汽( 通常被称为引射蒸汽) ，被引射进入混合室。工作蒸汽的膨胀激波被认为 可以形成导引通道，不与引射蒸汽进行混合。在这个导引通道的某个横截面，引射蒸汽 的速度达到音速，并且形成激波。这个横截面被m u n d a y 和b a g s t e r 2 1 称为“有效面积”。 试验和分析结果表明【3 ，4 】，这个有效面积的大小并不是恒定的，而是随着工作参数改变。 m u n d a y 和b a g s t e r 同时认为，工作蒸汽和引射蒸汽是形成激波后进行混合的。混合过程 使工作蒸汽减速、而引射蒸汽增速。在接近混合室出口处，两股蒸汽完全混合，并且直 到出口处静压一直保持不型5 1 。混合室出口压力与工作蒸汽、引射蒸汽和喷射器出口压 力有关【6 1 。由于混合室下游的高压区，会形成一个正激波。这个正激波导致混合蒸汽的 压力突然升高，而流速从超音速降到了亚音速。不过，这个正激波的假设只有在一维模 型中才是有效的。在实际情况中，由于壁面边界层的影响，这个激波过程通常会形成比 较复杂的斜激波。混合蒸汽的压力会在亚音速扩压器内进一步得到提升。试验结果表明 以上假设的流动过程是正确的。 1 1 1气体喷射器的研究进展 气体喷射器是以气体作为工作工质，来抽吸和压送气体、液体或散状固体的流体输 送机械和混合反应器。目前单相流动的气体喷射器设计理论比较成熟。前苏联中央流体 力学研究所k k 巴鸟林和全苏热工研究所彼劳曼提出了变工况下气体喷射器的基本性 能方程，中央流体力学研究所c a 赫里斯季阿诺维奇等考虑了工作流体为超临界膨胀 ( 超音速) 的喷射器的工作特点，推导出喷射器第二极限状态方程。全苏热工研究所索 气液两相喷射器的实验研究 科洛夫通过系统的理论及试验研究，提出了较完善的气体喷射器设计理论。k e e n a n ，j h ， b o n n i n g t o n ，s t ，h o g g a r t h ，m l 等研究了气体喷射器的基本性能方程和最优性能方程。 喷射器结构如图1 1 所示。根据流体的相态，喷射器可以分为以下三类： ( 1 ) 工作流体和引射流体是同相的喷射器； ( 2 ) 工作流体和引射流体为不同相的喷射器； ( 3 ) 工作流体和引射流体在混合之前为不同的相态，混合后变成同一相态，即流体 发生相变的喷射器。 气体喷射器的基本理论在十六世纪时就被提出，十九世纪六十年代德国学者 g z e u m e 根据动量守恒原理提出了喷射器的基本理论。但这一理论还不能解决实际计算 和应用问题。到二十世纪三十年代，随着流体力学和空气动力学的发展，喷射器的研究 和应用才有了进展。 为了搞清楚喷射器工作的机理，人们作了大量的理论分析和实验研究。尽管取得了 显著的进展，但是众多参数同时影响增加了流动的复杂性。喷射器的模拟仍存在着难题， 其中主要的困难是需要一个对工作气体和引射气体混合过程的可靠的数学描述。 4 0 - - 5 0 年代，k e e n a n 和n e u m a n n 7 】在空气动力学的基础上结合质量、动量、能量 守恒定律首先建立了空气的一维等面积混合流动模型。k e e n a n 等人随后引入等压混合 的概念将其修正【8 】。在后来的五十多年中，他的这一理论已经成为了喷射器设计的理论 基础。 l 喷嘴；2 吸入室；3 一混合室；4 扩散室 图1 1 喷射器结构简图 f i g 1 1 s k e t c ho fe j e c t o r 索科洛夫9 】在动量守恒的基础上，借助气体动力函数和自由流束理论推导出了计算 喷射系数的方法。e a m e s 等1 0 1 改进了k e e n a n 的模型，在喷嘴、混合室和扩散室中引入 大连理工大学硕士学位论文 了不可逆损失，同时用实验进行了验证。沈胜强等【1 1 d 7 】对喷射器的工作性能与工质参数、 结构尺寸的关系进行了综合研究，并在此基础上提出了结构优化设计方法。 m u n d a y 和b a g s t e r 通过研究提出k e e n a n 的理论无法预测喷射器“恒能力 的特性。 他们对工作蒸汽和吸入蒸汽的混合问题提出了新的假设，并得出了一个半经验理论。 围绕喷射器性能分析的研究还有很多，多数采用的都是便于实验工程应用，以 k e e n a n 或者b a g s t e r t 2 】的假设为基础的一维分析和实验研究。在喷射器的一维结构设计 和性能计算方法中，必须通过引入经验系数或者假设来评价喷射器结构对其工作的影 响。然而由于喷射器内部的流动与混合过程涉及到比较复杂的跨音速流动和湍流混合， 以及受限射流和自由射流的问题，这些问题的最终解决还取决于气体动力学和流体力学 的研究结果。喷射器结构和加工工艺对喷射器的性能也有影响，喷射器的工况改变要求 喷射器的结构( 如喷嘴的轴向位置、喷嘴喉口、混合室的截面积等) 做出相应调整，以 保证喷射器处于最佳工作状态。 随着对喷射器工作性能和性能预测要求的提高，一维模型由于其计算精度和提供信 息有限，已经难于满足实际需要。喷射器多维模型不能完全取代实验，但是随着模型进 一步发展和完善，在实验结果指引下，喷射器多维模型将会在喷射器的性能分析和结构 设计中发挥更大作用。一些学者尝试应用c f d 软件包来解释喷射器内的流动、混合过 程。n e v e 等【l8 】考虑到扩散室入口流场均匀度对于扩散室性能的影响，应用计算流体力 学的方法进行研究，使用商业流体力学计算软件包p h o e n i c s l 6 ，湍流模型为缸模型， 建立起二维轴对称模型。结果显示，尽管扩散室的工作受到入口速度场不均匀度的影响， 但对于喷射器恢复静压依然是有用和必需的。r i f f a t 等【l9 】在1 9 9 6 年分析了以氨为工质的 喷射器三维模型。当时可压缩流体的控制方程十分复杂，所以其采用的不可压缩模型还 不能应用到实际流体中。李素芬等建立了三维可压缩模型对喷射其中喷嘴的工作情况进 行了研究。其工作气体采用理想气体模型，湍流模型采用标准缸模型，分析了喷嘴结 构中喷嘴渐扩锥角和工作截面对流动的影响，以及进口压力等工作参数对流场的作用， 并分析了喷嘴中激波在不同情况下的变化。r u l s y 等【2 0 】模拟了以r 2 4 5 为工质的喷射器 内的三维流动。在研究中，他们应用了可压缩真实气体模型，得到了关于喷射器内流动 过程可靠的模拟结果。在这个研究中，采用了可压缩实际气体模型和数量庞大的网格， 其结果较为理想地提供了对喷射器内部流动过程的观察机会，体现了喷射器内工作蒸汽 的收缩通道现象、热力激波现象。 为了描述喷射器的工作效率，可以采用几个参数。对于制冷应用场合，最为重要的 是“喷射系数”【3 】和“升压系数”。 喷射系数：r 埘= 引射流体质量流量工作流体质量流量 气液两相喷射器的实验研究 升压系数：k = 扩散室出口静压力引射流体入口静压力 喷射系数决定了喷射式制冷系统的热利用效率，而升压系数则限制了喷射式制冷系 统向外排热的温度【2 1 1 。在焓熵图上可以看到，混合气体的正激波会导致混合气体总压 损失。如果混合流可以实现绝热阻滞，那么出口压力就可以达到理想喷射器的工作状态。 也可以看作是绝热驱动的叶轮压缩机的工作状态。需要指出的是，就算没有正激波，这 个工作过程也不是可逆的。混合过程中还存在着其他损失。切应力混合中，不但要考虑 切应力边界层作用，而且要考虑切向作用力。这两个方面是喷射器内产熵过程，也是喷 射器不能实现可逆工作的原因。 基于最小激波损失的想法，e a m e s 提出了“常动量交换方法( c o n s t a n tr a t eo f m o m e n t u mc h a n g em e t h o d ，c r m c ) 2 2 】。在这种方法中，喷射器中混合流的静压力呈 现逐步从入口增加到出口压力的过程。因此，没有激波，就不会产生阻滞损失。据此， 在喷射器喷射系数不变的条件下，喷射器升压比却可以增加。同样，c h u n n a n o n d 和 a p h o m r a t a n a t 2 3 】的试验中实现了喷射器j 下激波损失的最小化。这种方法采用减小喷射器 喉部的方法将流动速度降低到音速【2 2 】。试验结果验证了e a m e s 的理论，但是当喉部直径 过小的时候，喷射器将不能工作。 1 1 2 气液两相喷射器介绍 气液两相喷射器是一种类似驱动泵的设备，是利用射流紊动扩散作用，进行传质传 能的流体机械和混合反应设备。气液喷射器用于提升工作流体的压力，不同的是结构更 为简单，但升压过程更为复杂。在气液两相喷射器中，所有的热力学过程仅依赖于气、 液两相流体间的直接交换和转换过程，不需要任何运动机械，因此其最突出的特点就是 不直接消耗机械能。气液喷射器在国外发展很快，现已普遍应用于国民经济各行业。我 国在水利、电力、交通、化工、核工业和航空航天等行业正在逐步推广使用，取得了巨 大的经济效益。 气液喷射器分为两大类：一类是气体射流在喷射器内不发生相变，如气液雾化喷射 器，该喷射器主要用于化工、轻工的混合及结晶等工艺流程，此外还用于喷雾灭火等消 防工程；另一类是气体射流在喷射器内发生相变，如汽水喷射器，该喷射器可作为锅炉 注水器，并用于热水采暖工程。在热电站及核工业中，汽水喷射器可用于低温蒸汽或高 温冷凝水的回收。在石油工业中，由于稠油在常温下粘度较大，流动性很差，但其粘度 随温度沿指数规律下降，所以采用汽水喷射器向油井下注入高压蒸汽，进行加热开采， 可以增加原油的产量。 人连理j 。大学硕十学位论文 气液两相喷射器殷由四个部分组成，分别是：驰动喷嘴( 也称蒸汽喷嘴) 、引射 喷嘴( 也称水喷嘴) 、混合腔以及扩散室。如图12 所不。 蒸汽喷嘴：燕汽喷嘴是气液两相喷射器装置中一个非常重要的部分，为缩放形喷 嘴。它的基本功能是使蒸汽加速，获得较高的动量。一定压力的蒸汽在其中进行接近绝 热等熵膨胀，并将部分焓转化为动能，膨胀后得到的超音速气流是装置的动力源。根据 动旨守恒和能量守恒，在喷嘴u ，蒸汽具有较高的动能和较低的压力。在喷嘴中，随 着压力的降低，蒸汽有可能开始凝结，形成饱和的汽水混合物，但液滴均匀地分散在整 个流动中。如果来用定义的平均流速，蒸汽在喷嘴巾的停留时司很短，因此没有充足的 时问进行热交换和形成液滴。这样，只有少数的蒸汽凝结，绝大多数蒸汽都处于过饱和 状态。 m d 由e n 晚z k s v c 血n i 1 m 砘 s 目血 幽l 2 气液喷射器小意图 f i 9 12 s c h e m a l i cd i a g r 蛐o f g a s l i q u i d q l o r 水喷嘴：水喷嘴是蒸汽喷嘴与混合腔壁面形成的环形空间。低压冷水在水喷嘴中被 加速后，与经蒸汽喷嘴膨胀后的超音速蒸汽流直接接触换热，因一部分蒸汽凝结而形成 个低压区，这样低压水不断被吸入，均匀地分散在蒸汽喷哺出u 的四周。 混合腔：混合腔是气液两相喷射器装胃中最重要的组成部分。它的作用是产生高速 的均匀的气液两相流体，如果两m j 流体达到超音速，在混合腔喉部就会产生凝结激波 流体的动能转化为压力能，实现压力突变。气液两相流体在混合腔中进行着动量交换( 两 种流体速度小同) 、质量交换( 蒸汽凝结) 和能量交换( 两种流体温度小同) 。两相流 体在不同阶段进行两种不同的流动混台腔前部分的分层流动和后部分的均匀两相 流。在分层流动中湿蒸汽流位于中心，在其四周是水流。由于蒸汽的高速流动，水流 逐渐被破碎成小水滴，在这过程中，动量传递是主要的。最后，逐渐形成均匀的超音 气液两相喷射器的实验研究 速气液两相流，在混合腔出口产生凝结激波。根据g c a t t a d o r i 的理论，混合室的形状通 常为渐缩状或者再接一小段等截面段。 扩散室：扩散室是与混合腔喉部相连接的沿轴向直径逐渐增大的圆锥型渐扩喷管。 根据实验可以观察到，混合腔喉部出口的工质已经全部凝结为单相水( 最理想的情况) 【2 5 1 ，激波后的高压水流仍然具有较大的速度，为利用该速度，工质在渐扩管中继续流动， 由于流动面积逐渐增大，工质流速逐渐减小，部分动能转化为压力能，压力进一步升高。 如图1 3 气液两相喷射器装置内部压力变化所示，初压为只的高压蒸汽进入缩放型 的蒸汽喷嘴，经加速后达到超音速，同时，根据动量守恒，蒸汽压力相应降低，在混合 腔入口处蒸汽压力为尸加初压为凡的给水经环形水喷嘴加速后，与蒸汽在混合腔入口 截面i 开始混合。形成的超音速气液两相流经过热量交换、动量交换以及能量交换，一 部分蒸汽凝结放热，液相的温度不断升高，两相流体在流动过程中逐渐混合均匀。到达 截面i i 的压力为n 。超音速气液两相流在混合腔喉部产生凝结激波，压力突变，在混 合腔出口截面i i i 压力达到p 3 。出混合腔的流体在扩压管继续膨胀，压力进一步提高， 在扩压管出口截面压力达到装置出口压力尸4 。 ps pw 图1 3 气液喷射器装置内部的压力变化图 f i g 1 3 c h a r to f p r e s s u r ed i v e r s i f i c a t i o ni nt w o - p h a s ee j e c t o r 无论是汽水喷射器还是其它工质的气液喷射器，区别于其它种类喷射器的突出特点 就是其混合室内的流动情况及气、液的混合凝结情况不同。所以在气液喷射器的研究中， 大连理工大学硕+ 学位论文 混合室内气、液流体的混合凝结过程是重点。目前，研究中经常采用的方法是，假设混 合室中的凝结是一个逐渐冷凝的过程。c h u n 2 6 】研究了过冷水中蒸汽射流的直接冷凝过 程，并提出了高压蒸汽质量流量作为蒸汽和水的特性参数的函数的直接冷凝传热系数关 联式。以圆锥蒸汽射流的长度为变量，以直接接触传热系数为函数来确定蒸汽到水的热 流密度。从热流密度分布可以得出混合段中凝结线( 即容积中未冷凝蒸汽比例) 随无量 纲长度的变化情况。 1 2 气液两相喷射器的研究背景 生产和生活的需要是产生和发展科学技术的动力，没有航运、核能技术、化工、制 冷及航空方面的要求，就没有气液两相喷射器装置的发展。早在1 9 0 1 年，l e b a n c e 和 p a r s o n s 就研制出了目前尚在使用的喷射泵和真空泵，它能使两种不同压力的流体混合， 在混合过程中进行能量交换，并形成一种压力居中的混合后流体。气液两相喷射器装置 就是在蒸汽喷射泵的基础上发展起来的。 8 0 年代起，各种类型的新一代核反应堆在世界各地得到广泛研究，从而推动一些安 全可靠、系统结构简单的设备的研究与开发，气液两相喷射器装置就是其中最让科学家 感兴趣的设备之一。n a r a b a y a s h i 、1 w a k i 研究的气液两相喷射器装置最初是为沸水堆 ( b w r ) 服务的。目前，其应用范围已经不再局限于原来的设计初衷，不但用于商业用 途和军用舰船压水堆核电机组的堆芯紧急供水和给水系统以及沸水堆的给水系统，而且 也将在热能动力工程、核能工程、低温工程、油气采集、航天以及制冷技术上得到广泛 的应用。 气液两相喷射器装置摒弃了现有的机械运动部件，具有体积小、无需外界动力、高 效、节能、启动快、安全性和可靠性高等特点，在电力、化工、制冷、军工等领域具有 广泛的用途，尤其是在安全性要求高的核工业中具有独特的优势。因此，世界各国如意 大利的g c a t t a d o f i 2 7 1 、法国的n d e b e r n e 2 8 1 、日本的t a d a s h in a r a b a y a s h i 3 1 - 3 3 1 、英国的 v i c e te m a n n o 3 钔、美国的r f s t a r t o r 和g a n a n d 3 5 】等人都进行了大量的实验研究。 气液两相喷射器装置能将不同压力、不同状态的流体进行混合的特点，使其在空调 及制冷行业中具有广阔的应用前景。通常两相流动会破坏离心泵的叶片，采用气液两相 喷射器装置后，在不采用常规泵的条件下，冷却系统可以利用工质相变中释放出的高热 量来驱动两相流动。气液两相喷射器装置可以携带两种不同状态的流体，其中气体可以 采用常规的压缩机驱动，液体可以通过常规泵来驱动。利用蒸发潜热，在相同的温度变 化下，得到远远大于单相流体温度变化所释放出的热量，可以设计更加轻便、紧凑的冷 却系统2 9 1 。 气液两相喷射器的实验研究 低重量及其紧凑的结构对于航空航天领域尤其重要，它被应用于宇宙飞船及火箭 上，用来携带周围的空气并将其压力升高。其原理是利用排出气体的化学能来推进飞行 装置 3 0 1 。 气液两相喷射器装置还可以用于核反应堆紧急冷却系统。在正常情况下，核反应堆 产生的热量是通过加热主热流水带走的，这些热水在蒸发发生器中放热以产生用于发电 的蒸汽，蒸汽凝结后产生的水再返回反应堆进行循环。 1 3 气液两相喷射器的研究进展 气液两相喷射器装置因为高效、节能、结构简单等特点，而受到了各国学者的广泛 关注与研究。不但有许多学者个人对它进行了深入的研究，而且很多科研机构以及大公 司也投入了大量的人力、物力对它进行实验与理论研究【3 9 4 3 1 。 表1 1 列出了一些主要的气液喷射器的研究情况。 从查阅的文献来看，在目前的气液喷射器中，以汽水喷射器( 即以水蒸汽作为引射 水) 的研究居多，而研究其它工质的气液喷射器较少。所采用的研究方法中，数值模拟 计算较多，混合过程多为等压混合。可以看出，所研究的工作蒸汽压力一般在小于 1 0 5 m p a 的范围内，而出口压力最高可达1 2 7 m p a 。常用的研究方法有实验研究、理论 分析、数值模拟。 一般来讲，计算气液喷射器性能主要有两种模型方法：第一种方法是局部模型法， 考虑流动主要现象( 比如说，液滴冷凝，热量动量传递，非绝热非平衡流动墙壁上的粘 性耗散) ，模拟每一点的流体流动。这种模型更能反映实际，但需要对上述现象及其相 互作用完全掌握。然而，由于混合室中流动复杂，还没有比较完善的此类模型。第二种 方法是全局模型，采用控制容积方法建立一维守恒方程。这种模型相对简单，但需较多 假设条件。为了获得与实验数据吻合的计算数据，通常采用经验公式。 意大利的g c a t t a d o r i 2 7 】等设计出了具有环周进水，中心进汽结构的气液两相喷射器 装置，并且对其在核反应堆中的应用进行了可行性研究。他们搭建了实验台，主要测量 了：入口液体和水蒸汽的流量，流体出口的压力、温度，各阶段中( 水蒸汽喷嘴、混合 段及扩散段) 轴向压力分布。研究结果表明，在进口水压力为0 2 m p a ，给水温度从1 5 到3 7 ，进口蒸汽压力从2 5m p a 到8 7m p a 的条件下，装置可以得到高于进口蒸汽压 力1 0 的出口水，而且，汽水喷射器还可以把水预热。另外，这一过程中水蒸汽消耗量 很少，并随入口液体压力和温度及水蒸汽温度的增加而增加。g c a t t a d o r i 等人还开发了 控制流量的双分流系统和启动系统。 大连理- t 大学硕士学位论文 表1 1 主要气液喷射器研究简表 t a b l e1 1 m a i n l yr e s e a r c ho fg a s - l i q u i de j e c t o r 但是g c a t t a d o r i 2 7 】研究的气液两相喷射器升压装置是专门应用于反应堆的，无法推 广到其他领域，并且它的升压能力只有1 0 ，远远没有达到气液两相喷射器装置应有的 升压效果。 1 9 9 7 年，法国的n d e b e r n e 等人建立了实验台，开始了此项工作的研究。在入口蒸 汽压力为0 1 1 2 m p a 的情况下，出口水压可以达到0 1 2 m p a ，他利用全局计算模型进 行计算，发现混合室的壁面作用力对出口水压有较大影响，并且拟合出了不同汽水条件 下壁面作用力的经验公式，对壁面作用力对出口水压的影响进行了较深入的研究。但是， n d e b e r n e 提出的计算壁面作用力的计算模型与经验公式是针对中心进水、圆周进汽的 气液两相喷射器升压装置，不适应于应用更加广泛的中心进汽、圆周进水型的装置。 美国俄亥俄州立大学的g a n a j l d 【”】，在其导师r i c h a r dn c h r i s t e n s e n 的指导下，从 气液两相流动过程的非平衡现象出发，着重对升压过程的现象及数学模型进行了研究。 他认为，基于传热、传质的理论基础而设计出来的射流泵还有待于进一步的完善；理论 模型分析解与实验研究结果存在很大的差异，是由于忽视了两相流动过程中的非平衡现 象，而非平衡现象所伴随的质量传递、动量传递及热量传递仅仅发生在1 0 之秒数量级的 时间间隔内。因此，他通过研究升压装置升压过程中非平衡均匀凝结方程、凝结激波方 程的数学模型。这些数学模型是以来自不同领域( 如透平设计、量子物理、云的形成研 究、雾化器、燃料喷射泵、核技术应用、火箭及飞船推进等) 的文献来支持的。 美国佛罗里达大学机械工程系的l e a r ，w e 等人在美国国家航空和宇宙航行局 m a r s h a l l 航空飞行中心的支持下研究了用于制冷、航天及陆地热处理中的升压装置的设 气液两相喷射器的实验研究 计数学模型。在研究中，提出了最佳的几何面积系数以及系统状态参数，这两个参数都 是进口参数及水汽流量比的函数。研究结果与一维喷射泵的运行情况定性吻合。 t a d a s h in a r a b a y a s h i 和m i c h i t s u g um o r i 等人在日本东京电力公司以及东芝公司联合 支持下，对用于下一代核反应堆的气液两相喷射器升压装置进行了分析及实验研究。为 了测试大型汽水喷射器的可行性，他们采用了p h o e n i c s 程序开发了两相流计算模型。 通过采用高压水蒸汽试验数据( 超音速射流的轴向速度、温度和压力分布) ，证明了这 一模型。而且，高压小型模型试验也检验了这一模型，实验结果和分析结果刚好吻合。 研究结果表明：沿轴向的速度及温度分布几乎是相同的；在进口蒸汽压力为7 m p a ，水 压0 4m p a 的条件下，比例尺寸为1 2 的中心进汽型喷射器装置，得到了8 m p a 的出口 水压；在入口蒸汽压力为3 m p a ，水压7 m p a ，采用比例尺寸为1 5 的中心进水型喷射器 装置，得到了1 2 5 m p a 的出口水压。结果表明，升压性能的数值计算结果与实验结果吻 合良好，并且证明了在出口压力高于1 2 m p a 的条件下，气液两相流喷射器装置用于核 反应堆是可靠的。大型汽水喷射器可以在高压( 超过7 m p a ) 范围内工作，出口压力也 可达1 2 m p a 。 但是t a d a s h in a r a b a y a s h i 等人研究的计算模型，在应用于混合腔的计算中，与实验 结果不符。 土耳其东地中海大学机械工程系的研究生n b e i t h o u 在其导师h s a y b 一删的指导 下，研究水蒸汽驱动的喷射泵中，假设等熵流动，建立一维数学模型，并且进行了实验 分析。他们把获得的压力分布与g c a t t a d o r i 的实验结果进行了比较。在进行模型计算过 程中，采用了四个独立参数：蒸汽入口压力、蒸汽入口焓、给水压力和给水温度；通过 计算，可以得出其余参数如：给水质量流速、水气的质量比、装置出口水的压力、温度 和流速。进口蒸汽压力为8 7 m p a ，计算出口压力为9 5 4 m p a ，而g c a t t a d o r i 在实验中 得到的出口压力为9 8m p a 。 综合国外的研究成果可以发现：尽管目前关于气液两相喷射器升压装置的计算模型 研究的很多，但是现有计算模型计算结果与实验结果之间的误差还是比较大，而且其中 涉及的经验系数难以准确定量，所以不具备通用性，还有待于进一步的完善。因此，本 文将着重研究气液两相喷射器升压装置的实验及相应的计算模型。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作和研究内容 大连理工大学热能工程专业，自1 9 9 5 年以来，一直致力于喷射器理论和应用的研 究，从理论和实验两个方面对喷射器的运行和性能特性进行了深入的探讨和研究，为本 课题的开展奠定了很好的基础。 本文的主要工作和研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 利用气液喷射器数学计算模型，完成气液两相喷射器的性能计算与结构设计。 ( 2 ) 对气液两相喷射器实验台装置中涉及的设备、测量仪器进行选型，布置管路， 搭建气液两相喷射器装置实验台。 ( 3 ) 利用搭建好的实验台进行气液喷射实验，并获得实验数据。 ( 4 ) 通过对气液两相喷射器实验数据进行分析，研究各因素对出口压力的具体影响。 研究混合腔喉部直径对出口水压力的影响；低压进口水温度对出口水压力的影响；蒸汽 入口压力对出口水压力的影响；蒸汽喷嘴喉部直径尺寸对出口水压力的影响等等。 本文以探索性实验为基础，通过对实验数据进行分析和整理，对影响出口水压力的 重要参数进行分析研究，为进一步改进和完善气液两相喷射器的结构设计方法和整体计 算模型提供帮助。 气液两相喷射器的实验研究 2 气液喷射器设计原理和步骤 21 气液喷射器工作分析 气液喷射器是利用进u 蒸汽形成高速气流与过冷水混合形成超音速汽水混合物并 产生激波，实现压力突变，从而使激波后水的压力升高。其机理与当前的蒸汽轮机拖动 升压机的原理类似，气液喷射器装置的突出优点是摒弃了现有升压设备中的机械运动部 件，具有体积小、无需外界动力、高教、节能、启动快、无泄漏、安全性和可靠性高等 特点。 从能量转换的彳i 】度而占，气液两相喷射器装置利用高压蒸汽作为高温热源，低压过 冷水作为低温热源，在高温热源向低温热源放热的过程中产生机械能，使出口水的压力 提高。 根据气液喷射器的结构特征可分为环周进气及巾心进气两种类本! 。如图21 和圈2 , 2 所示。 h21中心进气环周进水气液喷射器的示意幽 f i 9 21c h a r t o f g a s - l i q u i de j e c t o r ( c e n t r a ls t c t t y p e 8 1 e s m ，mx 叼n 。划e w 如，_ _ _ h = = 三赢_ _ _ _ _ 攀= ：= = 竺1 _ _ - “a t e ij e o i 釉s e r 图2 2 中心进水肝周进气一气液喷射器的示意幽 r i 9 22c h a r t o f g a s - l i q u i de j e c t o r ( c e n t r a l w a t e r j e t t y p e ) 一 弩 大连理r 大学硕士学侍论文 与中心进气，环周进水结构相比，环周进气中心进水结构的进气摩擦阻力较大，影 响其升压效果：日环形蒸汽喷嘴的设计和加工都较复杂。所以本论文中只研究中心进气 虾周进水的结构。 如图23 所示，