（流体机械及工程专业论文）喷射制冷系统主喷射器特性的cfd研究.pdf

：”t ? 【j 1 at h e s i si nf l u i dm a c h i n e r ya n d e n g i n e e r i n g i n v e s t i g a t i o no fs t e a me j e c t o r r e f r i g e r a t o r c h a r a c t e r i s t i c sb y b yl u om e i l i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s j u n e2 0 0 8 iol_rl-， ， 1 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与 的 位 复 位 3 v - ， _ ，一 - ， 东北大学硕士学位论文摘要 喷射制冷系统主喷射器特性的c f d 研究 摘要 随着空调制冷系统在日常生活以及工业生产中的广泛使用，传统制冷循环带来的 能源消耗量大、环境污染严重等问题越发突出，因此对于新型制冷循环的研究成为近 年来学术探讨的热点。由于喷射式制冷系统可以利用低温热源驱动，并且结构简单、 运行可靠，因此，得到国内外众多学者的关注。 蒸汽喷射器是喷射制冷系统的核心部分，其设计基础多是建立在一维理论和经验 公式之上。喷射器结构与其工况条件决定喷射器的性能，但受实验水平、计算机计算 能力、流体力学理论发展水平等限制，目前，对喷射器的特性研究并不充分。 本文借助f l u e n t 软件平台，通过对蒸汽喷射器性能进行c f d 数值模拟，深入 分析和探索了工况条件和结构参数对蒸汽喷射器性能的影响规律，并将模拟结果与实 验数据进行了比较，对优化喷射器结构，提高喷射器效率具有重要的意义。 本文的主要研究工作为： ( 1 ) 建立了能够反映蒸汽喷射器性能变化规律的c f d 数学模型。对蒸汽喷射器 内部可压缩性流动进行了数值模拟，将模拟结果与实验数据进行了比较，并用喷射器 性能与扩压器出口压力( 背压) 的关系，验证了计算模型的正确性。 ( 2 ) 对不同工况条件下的蒸汽喷射器内部流动进行了模拟，得到了工作流体饱和 温度等工况参数对喷射器性能的影响规律：若喷射器几何参数和其他运行参数不变， 喷射系数随工作流体饱和温度( 饱和压力) 的降低而增大，即性能增强，激波的位置 向上游移动，临界背压减小。 ( 3 ) 改变拉瓦尔喷管出口与混合室入口之间的距离，通过模拟得到了拉瓦尔喷管 出口与混合室入口距离等结构参数对蒸汽喷射器性能的影响规律：若喷射器几何参数 和其他运行参数不变，喷射系数随着拉瓦尔喷管出口与混合室入口距离的减小而增大， 即性能增强，正激波的位置向上游移动，临界背压减小。 ( 4 ) 对蒸汽喷射器内部混合流动过程的各种现象进行分析。 关键词：喷射制冷；蒸汽喷射器；喷射系数；c f d i i - l ， 、 一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no f s t e a m e j e c t o rr e f r i g e r a t o r c h a r a c t e r i s t i c sb yc f d a bs t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h er e f r i g e r a t i o nc y c l ee i t h e ri nt h ed a i l yl i f eo ri nt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lr e f r i g e r a t i o nc y c l e sh a v e b e e nm o r ea n dm o r ep r o m i n e n c e s i n c et h et r a d i t i o n a lr e f r i g e r a t i o nc y c l e sc o n s u m e l a r g ee n e r g ya n dm a k et h ep o l l u t i o ns e v e r e ，t h ei n v e s t i g a t i o no ft h en e w - s t y l ec y c l e s 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t ( 2 ) r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ee je c t o rp e r f o r m a n c ea n di t so p e r a t i n gp a r a m e t e r s w e r ea n a l y z e d f r o mt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，i tw a ss h o w nh o wt h eb o i l e r t e m p e r a t u r e 、c o n d e n s e rp r e s s u r ei n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fs t e a me j e c t o r ( 3 ) r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ee je c t o rp e r f o r m a n c ea n di t ss t r u c t u r e sw e r e a n a l y z e d c h a n g i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e ns t e a mn o z z l eo u t l e ta n dm i x i n gc h a m b e r i n l e ti ns i m u l a t i o n ，i tw a ss h o w e dh o wt h ed i s t a n c eb e t w e e ns t e a mn o z z l eo u t l e ta n d m i x i n gc h a m b e ri n l e ti n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo f s t e a me j e c t o r ( 4 ) p h e n o m e n ao c c u r r i n gi nm i x i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ；s t e a me je c t o r ；e n t r a i n m e n tr a t i o ；c f d i v 一 i ： 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 声明i 中文摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 问题的提出1 1 2 喷射式制冷系统的原理及国内外研究现状2 1 2 1 喷射式制冷原理”2 1 2 2 国外发展现状4 1 2 3 国内研究发展现状7 1 3 本课题研究的内容和目的一9 第2 章喷射器的数学模型及求解方法1 l 2 1 控制方程一1 1 2 1 1 基本控制方程1 l 2 1 2 控制方程的通用形式1 3 2 2 湍流模型”l3 2 2 1 湍流的基本方程1 4 2 2 2 标准七一s 二方程模型1 6 2 3 近壁面处湍流的处理1 8 2 3 1 处理方法概述1 8 2 3 2 七一s 模型壁面函数的实施2 0 2 4 求解方法2 l 2 4 1 偏微分方程的数值解法“2 1 2 4 2 求解的基本方法“2 2 2 4 3 离散格式2 4 2 5 网格技术2 5 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 5 1 网格生成技术在c f d 中的发展2 6 2 5 2 网格的分类2 7 第3 章蒸汽喷射器的数值模拟2 9 3 1c f d 数值模拟技术及软件一2 9 3 1 1c f d 数值模拟研究进展2 9 3 1 2c f d 技术概述3 0 3 1 3c f d 软件31 3 1 4f l u e n t 软件31 3 2 求解过程3 3 3 2 1 蒸汽喷射泵制冷系统3 3 3 2 2 蒸汽喷射器工作原理3 5 3 2 3 模型几何结构尺寸3 6 3 3 网格划分一3 7 3 3 1 二维和三维网格模型比较3 7 3 3 2 模拟用的二维模型3 9 3 4 边界条件设定3 9 3 4 1 压力入口”4 0 3 4 2 压力出口4 0 3 5 流体物性选择4 l 3 6 求解器的选择4 1 3 6 1 分离式求解器与耦合式求解器一4 l 3 6 2 求解器的比较与选择4 2 第4 章模拟结果及讨论4 3 4 1 基本分析4 3 4 2 扩压器出口压力对泵性能的影响4 4 4 3 工作流体饱和温度( 饱和压力) 对泵性能的影响“4 7 4 4 拉瓦尔喷嘴出口与混合室入口距离对泵性能的影响”5 l 第5 章结论与展望5 5 5 1 结论5 5 5 2 展望5 5 v i 东北大学硕士学位论文 目 录 参考文献一5 7 致谢6 3 v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 蒸汽喷射器是以蒸汽作为工作介质，从拉瓦尔喷嘴中喷射出高速蒸汽射流来携带 被抽气体，从而达到抽气目的的设备【l l ，主要由喷嘴、混合室、扩压室等几部分组成， 其结构见图1 1 。高压蒸汽通过喷嘴时产生高速气流，在喷嘴出口处产生低压区，在 此区域对低压蒸汽产生抽吸作用，并由于射流边界层的湍动扩散作用，与周围被卷吸 的引射流体混合进行能量交换，形成混合流体。工作流体和引射流体进入到混合室后， 彼此速度渐渐均衡，通常还伴随着压力升高。随后，流体进入扩压室，速度不断减慢， 动能不断转化为静压能。蒸汽喷射器构造简单，没有运动部件也不存在化学腐蚀，并 且对被抽介质无严格要求，对于有毒性、易燃易爆、腐蚀性强乃至可凝性气体等的抽 出几乎都适用，加之抽气量较大，工作压力范围宽，因此在工业领域中得到非常广泛 的应用。在目前的能源和环境的形势下，蒸汽喷射制冷系统可以被看作最合适的制冷 系统之一。 7 工作漉体_ 0 合流体 引上体 1 喷喷2 吸入室3 混合段4 喉管5 扩散段 图1 1 蒸汽喷射泵结构简图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es t e a me j e c t o r 喷射器内流体是依靠流体间的相互撞击来传递能量的，其内部的混合流动过程是 非常复杂的。由于实验研究的难度大，尤其是对内部流场的观察更困难，到目前为止， 对喷射器流场进行观察的实验结果很少，因此，对其内部复杂的流动现象掌握得很少， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 例如引射流体进入后的流动方式，激波形成的条件及其对喷射器性能的影响，工作流 体、引射流体产生凝结、发生相变的可能性( 如欠膨胀工作流体低温凝结，或高温引射 流体与喷嘴出口低温工作流体的接触，凝结) 及原因等。由于对喷射器内流场的了解不 够，在合理设计喷射器，提高喷射器的效率方面受到限制。 通过对与蒸汽喷射式制冷研究相关文献的研究分析发现，无论在实验方面、还是 在理论分析方面，对蒸汽喷射泵制冷的研究工作都有待深入进行。在实验方面，尽管 实验技术已经有了飞速的发展，如激光测速技术、全息技术等均有改善，但是由于实 验测量喷射器内部流场的难度大，实验次数有限，尺寸和实验条件的改变困难大、周 期长、实验费用高等，单凭实验研究不能完全满足需要。 对蒸气喷射泵的理论及工艺的分析与研究，西安重机所是国内研究较多的单位， 已有了完善的实验条件，东北大学真空与流体研究中心对喷射泵进行了研究【2 。7 】。为了 深入研究蒸气喷射泵内部流动出现的现象，对蒸气喷射泵的模拟研究非常重要，为了 在更多行业节能与环保方面更广泛的推广应用，对喷射泵进行全面系统的研究就具有 重要的意义。目前已建立的流场模型多为三维的简化模型，且忽略了诸多影响流场的 实际不可逆因素，导致流场模型失真和不实用，难以用于蒸汽喷射器性能分析和结构 设计。对于喷射器来说，其结构参数和工况参数对其性能和工作效率有较大的影响， 以上诸多因素都要求对其内部流场进行更准确，更全面地描述。 1 2 喷射式制冷系统的原理及国内外研究现状 1 2 1 喷射式制冷原理 喷射式制冷系统主要由喷射器，发生器，蒸发器，冷凝器构成，如图1 2 所示， 其中喷射器是它的核心部件，和传统的蒸汽压缩式制冷系统相比，用喷射器取代了压 缩机。具有结构简单，运动部件少，无化学腐蚀等特点。喷射器技术的研究和应用至 今己经有一个多世纪的发展历史。到1 9 世纪8 0 年代，德国学者佐伊纳( z e u n e r ) 和兰 金( r a n k i n ) 的著作奠定了喷射器设计的理论基础，基于对两股流体的混合应用动量方 程的佐伊纳和兰金理论被广泛应用于后来的科学研究中，并且用实验证实了。但是这 个理论并不完善，比如类似如何选择适宜的剖面形状，如何确定喷射器的纵向尺寸等 问题，该理论均无法解决。在此后的很长一段时间内，喷射器理论大多是在研究和分 - 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 析特定用途喷射器的计算方法中发展起来的。 图1 2 传统喷射式制冷系统 f i g 1 2t r a d i t i o n a le j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 喷射器 图1 3 喷射式制冷系统的原理简图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fa ne j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 工作蒸汽从喷嘴高速喷出，在喷嘴出口处形成低压区，抽吸蒸发器中的制冷剂，2 种气体在喷射器混合室中混合，压力达到平衡，进入扩压器后压力进一步增大，提高 吸入蒸汽的压力。混合蒸汽进入冷凝器中放热，冷凝为液体，液态制冷剂分为2 个部 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 分：一部分经过节流阀减压后进入蒸发器；另一部分通过循环水泵进入发生器加热来 完成下一次循环，如图1 3 所示。最早的蒸汽喷射式制冷系统可以追溯到1 9 0 1 年，是 由德国的l e b l a n e e 和英国的p a r s o n 设计。由于其具有结构简单，操作方便，可靠性 高等优势，因此在工业上得到广泛应用。但是由于其制冷效率低、体积庞大而逐渐被 后来的压缩制冷机所取代。今天，随着能源的日益紧张和环境的严重污染，提高能源 的利用率和保护环境己经变得越来越重要。蒸汽喷射制冷可以利用废热、太阳能等低 温热源，因此人们对利用蒸汽喷射制冷技术的研究又掀起了高潮。 2 0 世纪7 0 年代以来，国外已十分重视利用喷射器来改变各种工艺流程，解决一 些重要的实际问题。日前，国外对喷射器的研究比较多，如：研究了蒸汽喷射器的工 作性能，即各个参数之间的变化规律，参数变化对喷射器工作性能的影响等【8 9 】；对两 相喷射器进行了实验研究，确定了两相喷射器的结构尺寸对压力的影响，即压缩压力 随混合室长度的增加而增大，随混合室直径的增大而减少【lo 】；对两相喷射器的操作性 能进行了研究，并对其结构设计进行了改进优化【l l 】；确立了喷射器的一种简便计算方 法，但未涉及到喷射系数的算法【i2 】；研究了蒸汽喷射器在利用太阳能空调制冷方而的 应用，在该制冷系统中，喷射器相当于压缩机的作用，节约了电能【1 3 】；研究了喷射器 结构参数对其性能的影响，并给出了性能曲线【1 4 】等等。本文针对蒸汽喷射制冷的国内 外研究应用现状和未来发展的趋势进行评述。 1 2 2 国外发展现状 1 2 2 1 喷射式制冷的理论研究 2 0 世纪7 0 年代，m u n d a y j o h nt 等【1 5 1 阐述了蒸汽喷射制冷原理，预测了蒸汽喷射 制冷的制冷系数。 2 0 世纪8 0 9 0 年代，许多学者对蒸汽喷射制冷进行了研究。d e c k e rl o u i so 1 6 l 和 a r n o l dh g 【”1 就蒸汽喷射制冷系统给予描述，将蒸汽喷射制冷和传统压缩制冷进行比 较，蒸汽喷射制冷具有可靠性高，没有移动部件，安装维修费用低等优势，预测利用 余热驱动的蒸汽喷射制冷有很大的发展前景。 t y a 西k p 和s a s h e r i f 1 8 。1 9 1 等人对蒸汽喷射制冷的可行性进行了分析，并对蒸 汽喷射制冷的经济效益也进行了阐述。依据热力学理论对蒸汽喷射器进行研究，最后 通过试验得到影响喷射系数的因数。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 s a t h a a p h o m r a t a n a 2 0 1 对锅炉温度从1 2 0 c 至01 4 0 c ，蒸发器温度从5 到1 0 。c ，喷 嘴距混合室入口位置1l m m 和2 6 r a m 的2 种情况进行试验。根据试验结果绘制制冷系 数随冷凝器压力变化曲线，讨论各个工作点的运行情况。通过试验方法得到影响制冷 效率的因素包括喷射器出口的压力和温度、蒸发器的压力和温度、工作蒸汽的压力和 温度。同时指出，单一的改变某一个参数不能使蒸汽喷射器进入最佳工作状态，可通 过改变蒸汽喷射器喷嘴的位置提高制冷系数。 d a w e l ls u n t 2 1 抛】指出背压是影响喷射器制冷效率的因素。当工作蒸汽和蒸发器温 度定时，背压高于某一值时，喷射系数会急剧下降，甚至会降到零。根据试验结果， 当背压和蒸发器的温度一定时，工作蒸汽存在一个最佳的温度，可使喷射系数最高。 当背压和工作蒸汽温度一定时，喷射系数随蒸发器的温度升高而增大。喷射系数 和喷嘴的位置密切相关，当工作条件发生变化时，对于固定喷嘴的喷射器很难保证最 佳的制冷效率，但是通过调整喷嘴出口截面到混合室的距离可以获得最大制冷系数。 y a u - m i n gc h e n 和c h u n g - y u n gs u n 【2 3 】根据试验结果指出，喷射系数除了与工作蒸 汽的温度、蒸发器的温度和背压有关外，还与喷嘴出口处蒸汽的马赫数有关。通过实 验方法取m a = 4 3 5 ，这样才可以得到一个较大的制冷系数，并提出运用二级喷射器串 联的方式来提高喷射系数的方法。 d a w e ns u n 2 4 】对用于蒸汽喷射制冷的1 1 种制冷剂进行试验研究，指出系统采用 r 1 5 2 a 作为制冷剂能够获得最佳性能，为蒸汽喷射制冷用制冷剂的选择提供了参考。 2 l 世纪，蒸汽喷射制冷的理论研究取得进一步发展。 gk a l e x i s t 2 5 1 应用流体力学和热力学的理论对蒸汽喷射器的性能进行分析，通过 调整喷嘴出口截面到混合室的位置可以提高喷射系数，应用热力学和流体力学原理， 推导出喷嘴位置最佳值的计算公式。 i w e 锄e s 【2 6 】等在k e e n a n 和n e u m a n n 的基础上对蒸汽喷射器的模型进行了改进。 运用能量守恒、动量守恒、质量连续建立蒸汽喷射制冷模型，也提出调整喷嘴出口截 面到混合室的位置可以提高喷射系数。 e r u s l y l 2 7 】等采用c f d 技术得到蒸汽喷射器的模型，改变了传统通过实验方法获 得模型不准确的弊端。对蒸汽喷射器的内部蒸汽混合给出更好的解释，为提高蒸汽喷 射制冷效率提供了新的设计方案。 s k z h o u t 2 8 】等对蒸汽喷射制冷中的引射蒸汽窒息现象的原因进行分析。采用 r l l 3 和r 1 4 1 b 试验，对原有的一维模型进行了改进。试验结果表明，采用不同的制 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 冷剂得到最佳的制冷系数所需的控制参数是不同的。 k a n j a n a p o n 2 9 】等对蒸汽沿着喷射器的轴向流动情况进行分析，得到当工作条件发 生变化时，混合蒸汽在喷射器中的压力变化曲线。对蒸汽的窒息现象，蒸汽喷射器存 在临界冷凝压力的现象加以解释，蒸汽喷射器只有工作在临界冷凝压力时，喷射系数 才可以达到最大。阐明了工作蒸汽温度和冷凝器压力一定的情况下，制冷系数随蒸发 器温度升高而增大的原因；也阐述了当工作条件变化时，通过调整喷嘴出口截面到混 合室的位置可以获得较大的制冷效率。 r y a p i c i 和h k e r s o y 3 0 1 在定常面积混合模型的基础上，选用r 1 2 3 为制冷剂， 得出改变蒸发器和冷凝器的温度比改变工作蒸汽的温度来获得大的制冷系数更优越。 对于工作蒸汽温度一定的制冷系统，采用定常面积混合比采用定压混合优越。 1 2 2 2 喷射式制冷循环系统的改进 p a s s a k o ms r i s a s t r a 和s a t h aa p h o r n r a t a n a 3 1 1 在传统蒸汽喷射制冷系统的基础上，对 装置进行改进，省去将冷凝水送回发生器的循环水泵，利用重力使冷凝水回流到发生 器中。减少了系统能量的输入，同时可以获得与传统蒸汽喷射制冷一样的制冷系数， 提高了整个系统的制冷效率。但是这种方法利用重力作用，装置必须有足够的高度差， 因而需要足够大的空间。 y u a n j e nc h a n g 和y a u m i n gc h e r t t 3 2 1 为了提高制冷效率，获得较大的喷射系数， 采用了新式喷嘴一花瓣型喷嘴。i a n w e 锄e s 【3 3 】提出了一种新的仿真方法一c f d 方 法，通过该方法可以更好地分析蒸汽的混合过程，为设计喷射器提供一个新的思路。 i a nw e 锄e s 【3 4 】等对传统喷射制冷效率进行分析，造成喷射制冷效率低的原因是 工作蒸汽和引射蒸汽混合过程中的窒息现象，它引起了能量的很大损失。他们提出了 一个新的方法c r m c ( c o n - s t a n tr a t eo f m o m e n t u mc h a n g e ) ，采用两级喷射减小窒息现 象，提高了喷射制冷效率。 gk a l e x i s 和j s k a t s a n i s 3 5 】选用甲醇作为制冷剂，通过试验测出影响蒸汽喷射 制冷的因素：包括发生器的温度、冷凝器的温度和蒸发器的温度。实验条件为：发生 器温度为1 1 7 5 1 3 2 50 c ，冷凝器温度4 2 5 0 c ，蒸发器温度1 0 5 ，测得制冷系数在 0 1 3 9 0 4 6 7 之间变化，在应用蒸汽喷射制冷实现低温制冷方面取得了突破。 1 2 2 3 喷射式制冷的应用 e a m e s i wa p h o m t r a t a n a s 3 6 】等将蒸汽喷射制冷和吸收制冷方式相结合，这种混合 制冷方式的制冷效率大约是吸收制冷效率的2 倍，而目大大降低了吸收系统制冷结构 6 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的复杂性和安装维修费用，在利用余热方面开辟了新的道路。 m s o k o l o v 3 7 1 将蒸汽喷射器应用于太阳能制冷系统，针对纯喷射制冷循环系统c o p 值较低、经济性较差的缺点，对加强型喷射系统和多级喷射系统进行了研究，在提高 c o p 方面取得了非常好的效果。 w i m 0 1 s i r i 【3 8 】叙述了太阳能喷射制冷的原理，阐述了太阳能喷射制冷系统的性能依 赖于对制冷剂的选择、操作条件和喷射器的几何尺寸。对于太阳辐射不足采用辅助加 热装置来补偿，对变负荷情况采用储冷罐来保持制冷量的恒定。 1 2 3 国内研究发展现状 1 2 3 1 喷射式制冷的理论研究 随着我国经济的高速发展，能源日趋紧张，在2 0 世纪9 0 年代以后，也掀起了对 蒸汽喷射制冷的广泛研究。梁作猷3 9 1 总结多年来应用蒸汽喷射器的工程实践，认为蒸 汽喷射制冷系统具有构造简单、造价低廉、运行可靠、操作方便、节省占地、节约能 源等优点。 刘斯明【4 0 1 对蒸汽喷射器内流体进行理论研究，推导出了蒸汽喷射器的抽气数学模 型，并给出了该模型与实际蒸汽喷射器实验值的符合范围。 毕荣山【4 1 】等建立了蒸汽喷射器的一维数学模型，利用理想气体对模型进行了求 解，对在混合段壅塞现象的发生和壅塞现象对喷射器喷射系数的影响进行了分析。 刘志强【4 2 1 等从理论上推导出蒸汽喷射器工作性能参数的计算公式，分析了计算结 果，在定压混合理论的基础上，应用结构优化思想，提出了蒸汽喷射器最佳结构设计 方案。 王晓冬【4 3 】等对单级水蒸气喷射模型进行研究，对三种典型模型的计算结构和试验 数据进行比较，在对奥芳夫计算模型的进一步计算分析中发现计算曲线存在非单调的 情况，用回归软件进行回归处理后，得到计算曲线偏离实际部分的修正式，修正后的 计算模型可用于单级水蒸气喷射器的设计，为多级泵优化设计提供理论基础。 王宏伟【4 4 】等对蒸汽喷射器的结构进行优化，并采用v b 语言编写蒸汽喷射器系统 优化软件，可以使喷射系数在约束条件下达到最大值。 王晓冬【4 5 1 等在单级泵抽气理论适用性分析以及对其进行修正的基础上，运用直接 搜索法，以工作水蒸气耗量最小为设计目标，统筹考虑冷凝器设置、冷凝水流量等因 7 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 素，对压缩比分配进行优化设计，使能耗最小。 1 2 3 2 喷射式制冷循环系统的改进 陈华【蜘等在分析影响喷射制冷效率的主要因素的基础上对蒸汽喷射制冷循环加 以改进，在喷射器和冷凝器之间增加一个射流泵，用来引射从喷射器喷出的混合蒸汽， 增加的射流泵可以降低背压，提高了制冷效率。 张博【4 7 】在p a s s a k o r ns r i s a s t r a 和s a t h aa p h o m r a t a n a 的基础上对蒸汽喷射制冷循环 进行改进，提出了气液喷射器代替循环泵的双喷射式制冷系统，减小了制冷系统的体 积，取得了很好的效果。 1 2 3 3 喷射式制冷的应用 陶金亮和史晓平4 8 】对变工况的情况加以讨论，阐述变工况会影响蒸汽喷射器的效 率，甚至会影响蒸汽喷射器的正常运行，提出了两级串联补偿喷射的变工况调节方法， 为解决蒸汽喷射器变工况调节的难题提供了新的途径。 徐海涛和桑芝富4 9 铷1 对蒸汽喷射器变工况的情况进行了分析，采用数值模拟的方 法，计算并分析了工作蒸汽压力和温度、引射蒸汽压力及混合蒸汽压力等热力参数对 喷射器操作性能的影响，同时他们对蒸汽喷射器的工作过程进行了深入分析，从热力 学参数的角度出发，建立了蒸汽喷射器喷射系数计算的理想模型、动量守恒模型及动 能守恒模型。 刘清和王孟效5 1 】在总结前人研究成果的基础上，应用质量连续、动量守恒和能量 守恒建立蒸汽喷射器的模型，结合纸机热泵的供热特点，采用模糊控制方法解决了造 纸行业中的烘缸积水问题。 李自强和张博【5 2 1 叙述了以太阳能为热源的蒸汽喷射制冷的原理，理论分析太阳能 蒸汽喷射式制冷系统性能改善的方法，并给出几种实用的方案，可大大提高系统的工 作性能。在此基础上预测太阳能喷射式制冷有着广阔的发展前景。 制冷循环的c o p 定义为：制冷量输入的能量。对于喷射式制冷循环，则c o p 表 示为： 御= 南= 最专( i - i ) + g rq g + 形木以 式中，q 、q 窖一分别为蒸发器和发生器的热交换率， 形一循环所需的机械功， a b e 、噍一蒸发器和发生器的焓差， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 m 。、他一喷射器的引射流体和工作流体的质量流率，两者的比为喷射系数缈。 在喷射制冷循环中机械功w 可以忽略，相应地，循环的c o p 可表示为： c o p ：国丝 ( 1 2 ) 、 从公式中可以看到，当工作参数一定时，叫j l 。的值固定不变，为提高系统的c o p ， 必须提高喷射器的喷射系数，因此，喷射器是决定喷射式制冷系统c o p 的关键部件。 为了提高喷射器的效率，各国学者从不同的方面进行深入的研究，如在喷射器工作参 数对喷射器性能的影响、喷射器结构与性能优化方面的研究、所用工质的选择的研究 等，并取得了一定成效。 在理论方面，一维分析理论无法给出喷射器内部流场分布的详细情况，为此，对 喷射过程进行二维乃至三维的研究是必要的。利用商业流体计算软件进行喷射器流场 的二维、三维数值模拟是目前对喷射器研究的重要途径之一，也是喷射器理论分析的 主要依据。自从1 9 8 1 年英国c h a m 公司首选推出求解流动与传热问题的商业软件 p h o e n i c s 以来，迅速在国际软件产业中形成了通称为c f d 软件产业市场。今天， 全世界至少己有5 0 余种的流动与传热问题的商业软件，大部分商用软件都可以进行流 动的二维、三维计算，也使利用数值模拟实现喷射器结构优化成为可能，数值模拟这 一手段将使精确的喷射器设计由理想变为现实。 但是，使用商业流体计算软件模拟喷射器流场必须作很多的必要的补充工作，如 蒸汽喷射泵制冷中工质的真实流体物性的给出、形成适于喷射器结构的网格划分，选 择合适的湍流模型等，这即要求所使用的商业软件是开放式的，同时也要求使用者对 商业软件有着全面、准确的理解和掌握，这是一项非常艰巨的工作。 从目前发表的研究论文来看，整体蒸汽喷射泵的数值计算并不多见，多数关于蒸 汽喷射泵数值分析的论文局限于分析其中某一过程，如混合过程、扩散过程，说明对 喷射过程的模拟计算远未完成，而将数值方法用于蒸汽喷射泵结构优化更是少见，为 了设计和发展高性能的蒸汽喷射泵，对蒸汽喷射泵内部的流动和混合有一个清晰的理 解是必要的。 1 3 本课题研究的内容和目的 本课题采用数值模拟方法，借助c f d 软件包( f l u e n t ) ，采用轴对称的解决方 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 法，通过求解二维n s 方程，捕捉喷射器内部的流动情况。研究充分利用数值模拟的 灵活性、可重复性、低成本的优势，调整喷射器各部分的结构参数和工作参数，模拟 不同结构和工况下喷射器的性能变化，将模拟结果和实验结果的数据进行整理，并对 之分析。 本课题的研究内容： ( 1 ) 通过实验数据建立蒸汽喷射器模拟的c f d 数学模型。借助商用软件平台，基 于雷诺时均方程、湍流粘度模型及气体状态方程对蒸汽喷射器内部可压缩性流动过程 进行数值模拟，并就所得到的结果与实验结果进行比较，验证c f d 数学模型对蒸汽喷 射器性能变化规律描述的正确性。 ( 2 ) 分析工作参数对蒸汽喷射器性能的影响规律。对不同工况条件下的蒸汽喷射 器进行数值模拟，得到工作流体饱和温度、扩压器出口压力对喷射器性能的影响规律。 ( 3 ) 分析蒸汽喷射器主要结构对其性能的影响规律。改变拉瓦尔喷管出口与混合 室入口距离，通过模拟试验得到了拉瓦尔喷管出口与混合室入口距离对蒸汽喷射器性 能的影响规律。 ( 4 ) 在对蒸汽喷射器性能研究的过程中，对混合过程中出现的各种现象进行分析， 并用微观理论来解释这些现象的发生。 - 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章喷射泵的数学模型及求解方法 第2 章喷射器的数学模型及求解方法 2 1 控制方程 2 1 1 基本控制方程 气体喷射器内部的气体流动可看作是可压缩粘性流动，其所遵循的规律也是物理 学的三大定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。为了使方程组封闭， 还需加上联系热力学状态参数的状态方程。粘性流动的三个主要特征是流动的有旋性、 涡量的扩散性和能量的耗散性。粘性流动总是有旋的，不同尺度的涡的存在总是湍流 的一个特征。因此，涡的产生、输运和扩散是很重要的，这些性质都是由流体的动力 学基本方程组所决定的【5 3 弼】。 层流流动和湍流流动这两种流动形式的质量、动量和能量方程的不同之处主要在 于输运系数( 比如：粘性、热传导性和物质的扩散性) 的形式和数量级的不同。湍流的 动量输运表现为湍流的“粘性”，湍流的内能输运表现为热传递。由于流体微团包含数 量极大的分子，因此湍流的输运率远远大于分子输运率。湍流脉动引起的附加的输运 使得在湍流情况下，上述各输运系数要大得多，这些输运系数是从依赖于湍流动能及 其耗散率的湍流扩散中得到的，因此涡量使方程既能求解层流流动又可用于求解湍流 流动，在方程中使用了一些控制变量，当这些控制变量取相应值时，可以很方便的选 择计算层流还是湍流。 为方程书写紧凑，以下的方程是以向量和张量的形式表示的。x ，y z 方向的单位 向量分别由i d ，k 表示。向量x 被表示为： 工= x i + y j + z k ( 2 1 ) 矢量算子： v ：；晏+ 了晏+ 一k 昙 ( 2 2 )= f 二+ ，+ 二 ( 2 2 ) 斑卵宓 流体速度向量u 表示为： 二= “g ，y ，z ，f ) f + y g ，y ，z ，f ) 少+ b ，少，z ，t ) k( 2 3 ) 东北大学硕士学位论文 第2 章喷射泵的数学模型及求解方法 其中t 为时间。 v 一警= o 缸u + 0 勿u + o 出u融，缸勿 出 ( 1 ) 连续方程 单位时间内流入流出微元体的质量与密度的变化相平衡，即 ( 2 ) 动量守恒方程 等+ 鲁b 房o 8 t瓠：v 川 j ( 2 4 ) ( 2 5 ) 掣+ 毒b 一) = 一砉考一4 苦g 肛) + 考 c 2 q 其中口一无量纲数，是选择压力梯度换算方法的控制变量。 口1 时，使用p g s 法( p r e s s u r eg r a d u i e n ts c a l e ) 口= 1 时，不使用p g s 法 p 一流体的静压力 凡一选择计算层流还是湍流的控制变量。 4 = 0 0 时，为层流 4 = 1 0 时，为湍流 尼= 一“；“： k 一湍流脉动动能， 2 川 o v 一湍流粘性应力张量 嘞= 考+ 警 - 詈警磊 c 2 刀 一粘性系数 ( 3 ) 能量守恒方程 掣+ 南b ，小一p 考一鼍+ 4 班 c 2 固 其中，一比内能 一热通量和物质扩散引起的焓通量的总和 d j = - k 溉o t 一础- - 厶瓦a r 吼，“一”融7 - 1 2 - ( 2 9 ) 东北大学硕士学位论文 第2 章喷射泵的数学模型及求解方法 其中k 一第m 种组分的比焓 蛾k 篝一第m 种组分的扩散流导致的焓扩散 匕2 p 1 p 一第聊种组分的质量百分比 2 1 2 控制方程的通用形式 为下面分析的方便，这里给出控制方程的通用形式： 掣砌p 脚) 柏( l 删h ( 2 1 0 ) 式中，尹一通用变量，可以代表速度分量、温度、焓等求解变量； 工，一广义扩散系数； o ，一广义源项。 2 2 湍流模型 湍流是流体力学至今在理论上还没有彻底解决的最后一个难题。自1 8 9 5 年雷诺提 出著名的雷诺方程以来，许多学者为寻求使方程封闭的方法而耗尽了毕生的精力。然 而遗憾的是，目前还没有一种通用的湍流模型适用于任何工程计算，湍流模型的选取 主要还是依赖于对问题的理解程度、经验、精度的要求及可供的计算机资源。尽管如 此，传统的或者说经典的湍流模型方法还是在很大程度上得到了发展。 尽管湍流的数值计算存在很大的内在难度，然而在理解湍流的本质以及提出用于 设计目的的关联式及预测方面取得了相当大的进展，雷诺时均方程法是将非稳态 n a v i e r - s t o k e s 方程对时间作平均，由于在所得出的关于时均物理量的控制方程中包含 了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所得方程的个数就小于未知量的个数，并且不 可能依靠进一步的时均处理而使控制方程封闭。要使方程封闭，必须作出假设，也就 是建立模型，把未知的更高阶的时间平均值表示成较低阶的在计算中可以确定的量的 函数或方程。大涡模拟是直接数值模拟与雷诺时均方程法的一种折衷，前者不需要任 何模型或假设，而后者则完全取决于模型或假设。 湍流模型可以分为两类：第一类是涡粘度( 湍流粘度) 模型( e d d y v i s c o s i t ym e t h o d ， - 1 3 东北大学硕士学位论文第2 章喷射泵的数学模型及求解方法 e v m ) ，另一类是雷诺应力模型( r e y n o l d ss t r e s sm e t h o d ，r s m ) 。前者主要基于 b o u s s i n e s q 假设，涡粘度的概念是想象推理的结果而无可靠的物理基础。这类模型根 据加入偏微分方程数目的不同可分为零方程模型、一方程模型和二方程模型及其修正， 其中零方程模型只引入附加的代数关系而不引入附加的偏微分方程。第二类模型主要 有：代数雷诺应力模型( a l g e b r a i cr e y n o l d ss t r e s sm e t h o d ，a r s m ) 以及雷诺应力模型 ( r e y n o l d ss t r e s sm e t h o d ，r s m ) 。其中代数雷诺应力模型也可认为是准涡粘度模型。 虽然雷诺应力方程模型在很多情况下能够给出优于标准k 一占模型的结果，但是由 于该模型复杂，求解的方程数量多，数值模拟过程需要耗费大量的内存和c p u 时间； 而且雷诺应力方程模型对方程组中k 方程和f t 方程的模化仍然采用与一阶模型相同的 方法，因而其总精度并不总是高于其它模型，所以目前其应用也不及两方程模型普遍。 就工程实际而言，用的最为广泛的还是k s 二方程模型及其修正。 2 2 1 湍流的基本方程 一股认为，无论湍流动力多么复杂，非稳态的连续方程和n - s 方程对于湍流的瞬 时动力仍然是适用的。在此，考虑不可压缩流动，使用笛卡儿坐标系，速度矢量u 在 x 、y 和z 方向上的分量为u 、v 和w ，写出湍流瞬时控制方程如下： d i v u 2 0 ( 2 11 ) 罢+ d i v ( u u 户! 望+ v d i v ( g r a d “) (212a)a氆 。dx 。 、 罢+ d i v ( v a 户土罢+ v d i v ( g r a d v ) ( 2 12 b ) 出 7 p 却 、 a 盘u 。+ d i v ( w n ) = 三望+ v d i v ( g r a d w ) ( 2 12 c)a西 pz 、 7 为了考察脉动的影响，目前广泛采用的方法是时间平均法，即把湍流动力看作由 两个