（机械设计及理论专业论文）回油喷射器的设计与优化.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 喷射器是一种不直接消耗机械能，利用流体来传递能量及质量的流体输送机构。作 为一种流体机械，喷射器在许多工业领域中都有应用。本文设计的回油喷射器应用于螺 杆冷水机组中，喷射器的性能对螺杆冷水机组的安全及工作效率起到至关重要的作用。 在很长的一段时间内，对喷射器的研究都停留在理论以及实验的研究中。尽管喷射 器的工作原理比较简单，但是其内部流体混合过程非常复杂，理论与实验均无法精确得 分析出内部流场的情况。近些年来，用数值模拟分析的方法对喷射器的研究很好地解决 了这一问题，但是大部分的研究是针对以水和水蒸汽为工质的喷射器进行的，没有以其 他液体为工质的喷射器设计方法。以r 2 2 为工质的喷射器研究基本没有，应用c f d 技 术进行计算分析，本文将用流体工程软件f l u e n t 对喷射器以r 2 2 为工质的情况进行 研究。总结以其他液体为工质的喷射器的设计方法。本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 建立适用于r 2 2 工质的喷射器模拟数学模型。本文用流体计算软件f l u e n t 进行数值模拟分析，建立模拟数学模型，以计算结果与工厂的实验结果进行对比，调节 模型参数，确定符合实际情况且能准确反映喷射器工作情况的数学模型，以便用于下面 的参数设计及优化。 ( 2 ) 分析工作参数对喷射器性能的影响，总结固定结构下的喷射器工作参数调整 及设计方法。分析不同的工作流体压力、引射流体压力、喷射器出口压力对喷射器性能 的影响，分析过程中应用到膨胀比( 工作流体压力与引射流体压力之比) 这一参数，以 使结果具有更好的通用性。 ( 3 ) 改变喷射器的设计参数，分析影响喷射器性能的参数。因为喷射器的参数较 多，逐个参数进行设计不现实，所以本文首先固定了混合室与扩压室的结构，针对喷射 器的喷嘴进行设计；利用已经设计出的喷嘴，改变其他参数，分析其他参数对喷射器性 能的影响。分析对喷射器性能影响很大的参数。 ( 4 ) 根据分析出的影响喷射器性能的参数，利用m a t l a b 软件中的神经网络优化 方法对影响喷射器性能的参数进行优化，最终设计出本工况和以r 2 2 为工质下的喷射 器。选择适合本模型的神经网络方法，根据参数及神经网络优化方法的特点选择b p 神 经网络进行优化分析，优化对喷射器性能影响较大的参数，设计出性能更好的喷射器。 ( 5 ) 总结整个设计过程以及优化方法。结合喷射器结构参数和工作参数对喷射器 性能的影响，完善喷射器的设计方法。 关键词：喷射器；润滑油r 2 2 ；数值模拟；设计参数；神经网络 回油喷射器的设计与优化 d e s i g na n do p t i m i z a t i o no f a no i lr e t u r n 砀e c t o r a b s t r a c t t h ee j e c t o ri sa ne q u i p m e n tt h a td e l i v e r i n gf l u i d i td e r i v e r se n e r g ya n dm a s sb yu s i n g f l u i d ，b u tn o tb yc o n s u m i n gt h em e c h a n i c a le n e r g yd i r e e t l y a sak i n do ff l u i dm e c h a n i c s ，t h e e j e c t o ri sw i d e l yu s e di nd i f f e r e n tf i e l d t h ee j e c t o rd e s i g n e di nt h i sa s s i g n m e n tw o u l db e a p p l i e di nas c r e wt y p ew a t e rc h i l l e r t h ec a p a b i l i t yo fa ne j e c t o rt a k e sa ni m p o r t a n tf u n c t i o n i nt h es a f e t ya n dw o r ke f f i e i e n e yo ft h es c r e wt y p ew a t e rc h i l l e r d u r i n gal o n gp e r i o d ，t h er e s e a r c ho i lt h ee j e c t o ri ss t i l ll i m i t e do i lt h el e v e l so f t h e o r i e s a n de x p e r i m e n t s ! a l t h o u g ht h ew o r k i n gt h e o r yo ft h ee j e c t o ri sc o m p a r a t i v e l ys i m p l e ，t h e p r o c e s sf l u i dm i x i n gi n s i d ei sv e r yc o m p l i c a t e d n o w a d a y s ，t h ep r o b l e mo nt h ee j e c t o rh a s b e e ns o l v e db yt h em e t h o do fa n a l y z i n gt h es i m u l a t e dn u m b e r s h o w e v e r , m o s to ft h o s e p r o j e c t sa r ei nc o n n e c t i o nw i t ht h ee j e c t o rw h i c hu s i n gw a t e ra n dv a p o r 蹈w o r k i n gm e d i u m t h e r eh a v e1 1 - 0r e s e a r c h e so nt h ee j e c t o rw i t hr 2 2w o r k i n gm e d i u m t h ew r i t e rw o u l dr e s e a c h t h ec o n d i t i o no fa ne j e c t o rw i t hr 2 2w o r k i n gm e d i u mb yu s i n gt h ef l u i da n a l y s i ss o t t w a r e f l u e n t a c c o r d i n g l y , t h em e t h o di nd e s i g n i n gt h eo t h e rk i n do fe j e c t o r sw i 1d i f f e r e n t w o r k i n gm e d i u mw o u l db es u m m e du p t h ea i m so f t h i sa s s i g n m e n tf l l r e 鹄f o l l o w s 。t ob e g i n 谢廿l ，t h ew r i t e rw o u l de s t a b l i s ht h es i m u l a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i e l ac o u l d b es u i t a b l ef o rt h ee j e c t o rw i mr 2 2w o r k i n gm e d i u m t h ef l u i da n a l y s i ss o f t w a r ef l u e n t w o u l db eu s e di na n a l y z i n gs i m u l a t e dn u m b e r s ，e s t a b l i s hs i m u l a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e l ， c o m p a r i n gt h er e s u l t sb e t w e e nt h ec a l c u l a t i n ga n dt h ee x p e r i m e n to ft h ef a c t o r t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi sc o n f o r m e dt ot h er e a l i t yh a st ob ec o n f i r m e d t h i sm o d e lc o u l d r e a c tt h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h ee j e c t o ra c c u r a t e l y , s oi tw o u l db eu s e di nt e r m so f d e s i g n i n ga n do p t i m i z i n gp a r a m e t e r s t h ew r i t e rw o u l da n a l y z et h ew o r k i n gp a r a m e t e r s e f f e c t0 1 3t h ef t m e t i o no fa ne j e c t o r t h e n , t h em e t h o do fa d j u s t i n ga n dd e s i g n i n gw o r k i n gp a r a m e t e r su n d e raf i x e ds t r u c t u r e w o u l db ec o n c l u d e d t h ew r i t e rw o u l da n a l y z et h ee f f e c t s ，m a d eb yd i f f e r e n tp r e s s u r eo f w o r k i n gf l u i d ，i n j e c t i n gf l u i da n dt h ee j e c t o r sn o z z l e , o nt h ef u n c t i o no f a ne j e c t o r d u r i n g t h ep r o c e s so fa n a l y z i n g , t h ep a r a m e t e re x p a n s i o nr a t i ow o u l db eu s e d t h ee x p a n s i o nr a t i oi s t h er a t i ow o r k i n gf l u i d sp r e s s u r et oi n j e c t i n gf l u i d sp r e s s u r e t h er e s u l tw o u l db em o l e g e n e r a la f t e rb e i n gc a l c u l a t e db y t h i sk i n do fm e t h o d 一i i 大连理工大学硕士学位论文 t h i r d l y , t h ew r i t e rw o u l dc h a n g et h ed e s i g n i n gp a r a m e t e r so ft h ee j e c t o ri no r d e rt o a n a l y z et h ep a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h ef u n c t i o no ft h ee j e c t o r t h e r ea r es om a n yp a r a m e t e r s f o ra l le j e c t o r i ti si m p o s s i b l ef o rt h ew r i t e rt od e s i g nt h ep a r a m e t e r so n eb yo n e b e c a u s eo f t h i sl i m i t a t i o n , t h ew r i t e rw o u l df i xt h ef r a m e w o r ko ft h em i x i n gc h a m b e ra n dd i f f u s i o ns p a c e a n dt h e nd e s i g nt h en o z z l eo ft h ee j e c t o r m o r e o v e r , a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dn o z z l e ，o t h e r p a r a m e t e r sw o u l db ec h a n g e d t h ew r i t e rw o u l da n a l y z et h ep a r a m e t e r s e f f e c t so nt h e f u n c t i o no fa l le j e c t o ra n dt l l e l lf i g u r eo u tt h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h e f u n c t i o no ft h ee j e c t o r f o u r t h l y , a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r st h a ta f f e c tt h ef u n c t i o n ，o fa ne j e c t o r , t h ew r i t e r w o u l dd e s i g na l le j e c t o r sp a r a m e t e rw h i c hc o n f o r m st om yw o r k i n gc o n d i t i o na n dt h ee j e c t o r w i mi 也2w o r k i n gm e d i u m t h ep a r a m e t e r s ，a f f e c t i n gt h ef u n c t i o no fa ne j e c t o r , s h o u l db e o p t i m i z e db vu s i n gt h em e t h o do fn e u r a ln e t w o r ki nt h em a t l a bs o f t w a r e ，n l ew r i t e rw o u l d m a k ea na n a l y s i sb yu s i n gn e u r a ln e t w o r ka n dt h e nc h o o s eap r o p e rm e t h o do fn e u r a l n e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r sa n dt h eo p t i m i z e dm e t h o do fn e u r a ln e t w o r k , t h e w r i t e rw o u l do p t i m i z et h ep a r a m e t e r sb yu s i n gt h eb pn e u r a ln e t w o r ka n dt h e nd e s i g na n e j e c t o rw i t hb e t t e rf u n c t i o n f i n a l l y , t h ew r i t e rw o u l dc o n c l u d et h ew h o l ed e s i g n i n gp r o c e s sa n do p t i m i z e dm e t h o d 砀e d e s i g n i n gp r o c e s so f t h ee j e c t o rw o u l db ep e r f e c t e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s o fa ne j e c t o ra n dt h ew o r k i n gp a r a m e t e r s e f f e c to nt h ef u n c t i o no fa ne j e c t o r k e yw o r d s ：e j e c t o r ；l u b er 2 2 ；n u m e r i c a ts i m u t a t i o n ；d e s i g np a r a m e t e r s ；i q e u r a t n e t w o r k 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：回渔喷蕴墨数遮i 生优焦 作者签名： 塞圭逢日期：2 丝2 年j 生月j 堕日 大连理工大学硕士学位论文 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 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 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 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、 印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 位论文题目： 者签名： 师签名：x 、虎 ， 叨 v ， 日期：墨翌呈年三月二立日 日期：垄全里z 年丝月二近日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 在螺杆冷水机组中，润滑油不仅对螺杆压缩机起到润滑、冷却、密封、降噪等作用， 还是驱动滑阀的动力，对于螺杆冷水机组具有重要作用。但在采用满液式蒸发器的冷水 机组中，由于回油不理想，系统中没有分离干净的冷冻机油会积聚在蒸发器中，不仅造 成换热效果降低，还会造成压缩机失油过多，不能正常工作甚至造成损坏【1 1 。采用满液 式蒸发器的螺杆冷水机组，采用直接回油技术，以回油喷射器作为冷水机组的回油装置。 这种机组使用一段时间后，满液式蒸发器中的含油量会达到一个动态平衡状态，并且满 液式蒸发器中的含油量较高，从而影响蒸发器的工作性能。根据国内外发表的试验结果， 当满液式蒸发器中含油量达到1 时，制冷量会降低1 8 ，达到5 时会降低2 8 t 2 1 。由 此可见，回油喷射器作为螺杆冷水机组的回油装置，具有很重要的作用，不但关系到螺 杆冷水机组的工作效率，更加关系到机组的安全运行问题。 回油喷射器作为螺杆冷水机组的核心部件，其工作效果直接影响着机组的工作效 率，工作参数以螺杆冷水机组的工作参数为准，而所采用的工质则为润滑油r 2 2 。下文 将对固定工况下的以r 2 2 为工质的回油喷射器进行设计和优化。 1 1喷射器的应用 喷射器没有活动部件，因而简单、运行可靠；所用材质可为铜、铝、不锈钢等多种 金属材料，成本低；并且可以选用的工质种类也很广。因此，人们根据实际需求，结合 喷射器的工作原理，将其用在许多不同的设备上。喷射器主要应用在以下几个方面： ( 1 ) 喷射推进。一种广泛应用于航空航天的动力装置引射器，通过抽吸引射 气体来增压，以提高推力，即用引射方式驱动。在此方式下，一般要求大膨胀比、大压 缩比( 大于2 5 ) ，因而通常要求保持很高的真空度【3 】。 ( 2 ) 压力恢复。通过提高被抽吸气体的压力，以保证顺利排放。如用于提高推动 反应产生的高速低压尾气的压力，保证排放的超音速超音速喷射器等。在这种喷射 装置中，工作流体是在引射流体的外围【4 】。 ( 3 ) 喷射混合及反应。充分利用高速喷射器工作流体与引射流体之间大的速度梯 度，导致强烈的混合，可缩短反应时间、减小反应器容积，可以降低生产成本和设备投 资。如在化工生产中，采用喷射反应器代替反应塔等其他装置。 ( 4 ) 流体的输送和传质。利用经过喷嘴的工作流体所形成的高速、低压流体来抽 吸另一股流体，将被抽吸的流体输送出去。它结构简单，无传动部件，安装维修都很方 回油喷射器的设计与优化 便，很适合于工作环境恶劣，如海底、深井、有毒环境等。我国龙羊峡水电站的水轮发 电机组用射流泵代替离心泵，进行机组供水，年平均可节省用电6 0 万千瓦小时【5 】o ( 5 ) 喷射真空。工作流体经过喷嘴后，压力降低，速度升高，可以抽吸吸入室内 的气体，保证吸入室的真空度。如通过串联不同级数的喷射器，来代替不同真空度的机 械真空泵；利用工作流体经喷嘴后形成的高速、低压的气体，来抽吸蒸发器内的气体， 保证蒸发器内处于饱和压力下的液体不断蒸发，实现蒸发制冷；从低温热源获得能量， 并把能量传给高温热源的喷射式热泵等【6 ，7 】。 由于用途不同，对喷射器的称呼也各有不同，但工作原理相同，所以本文统一称为 喷射器。用途不同对喷射器的性能要求就有很大的区别，对于喷射推进，喷射系数和压 缩比是主要的性能指标；对喷射真空，膨胀比则是主要考核指标；而对喷射制冷，制冷 系数则是主要的性能参数。各国学者就如何优化喷射器结构，选择最佳工况做了大量的 研究工作，通过数值模拟计算和实验分析，来改变喷射器的结构尺寸、选择最佳工作参 数，获得喷射器结构与最佳工况间的关系，进而得出喷射器的结构设计改进方案，提高 其效率。本文经研究的喷射器是以r 2 2 为工质的喷射器，喷射器的性能研究主要以喷射 系数为主。 1 2 喷射器的研究进展 喷射器至今已有1 0 0 多年的发展历史。对喷射器进行理论分析工作的发展过程可分 为三个阶段，第一阶段只是研究进入和离开等截面混合段的基本可逆过程，没有对整个 喷射器过程进行分析，是对喷射器理论分析的一个初步尝试；第二阶段是研究喷嘴位于 等截面区的等面积混合过程；第三阶段则是假设工作流体与引射流体在某一不变的压力 下进行混合的等压混合过程。下面针对以往喷射器研究的结果进行一下整理分析。 1 9 世纪6 0 年代，z e u n e r 根据动量定理提出了喷射器的设计基础理论。在1 9 世纪 8 0 年代，z u e n e r 和r n a k i n 的著作奠定了喷射器的理论基础，z u e n e r 和r n a k i n 基于对混 合流体的应用动量的理论被广泛的应用于后来的研究中，并用实验证明了其准确性。然 而，这个理论并不能完全得解决喷射器设计过程中一些重要问题，诸如如何选择适宜的 截面形状、确定喷射器的纵向尺寸等问题【8 】。在此后的一段时间内，喷射器理论大多是 在研究和分析一定用途喷射器的计算方法中发展起来的。 f l u g e l 第一个提出以质量、动量、能量方程为基础的喷射压缩理论分析。从1 9 3 9 年f l u g e l 制造出第一台公认的喷射器以来，喷射器得到了极为广泛的应用，最初所有设 计都是以实验结果为依据的，他在2 0 世纪4 0 年代中、后期提出几种分析模型9 1 。后来 大连理工大学硕士学位论文 e l r o d 在f l u g e l 和k e e n n a n 等人研究成果的基础上，提出了一种简化的设计方法，并将 喷射器的效率定义为实际喷射器系数与理想喷射系数的比值【1 0 1 。 j h k e e n a n 和e p n e u m a n n 等人不断完善他们的理论，先后提出了两种比较可行的 计算方法，即定常面积混合理论和定压混合理论。前者认为工作流体和引射流体的混合 过程是在截面积不变的情况下完成的( a = c o n s t a n t ) ，而后者则认为两股流体的混合过 程近似为一种等压过程( d 。= 0 ) n l 。 j h k e e n a n 和e p n e u m a n n 对喷射器的研究的贡献是显著的。j h k e e n a n 和 e p n e u m a n n 等对一台无扩散段的简化的喷射器进行了研究，认为喷射器的混合过程是 一种等压过程，第一次在理论与实验中对喷射器进行了完整的研究，奠定了喷射器一维 理论研究的基础【1 2 1 。他们在定压混合理论的基础上，首先以空气为工质，对一无扩压室 的简单喷射器系统与预先分析的特性相比较。后来研究带有扩压室的喷射器，工质仍为 空气。他们假设在理想气体的基础上，工作流体和引射流体具有相同的分子量和比热容， 工作流体和引射流体以及混合后的流体在任意横截面有均匀的物性分布，喷嘴和扩散器 里面的过程都是等熵过程，不计喷射器的壁面阻力，不计进出口的速度，推导出具有最 大压缩比或最大喷射系数的喷射几何参数的优化设计公式，并把喷射器的效率定义为实 际的喷射系数与理想的喷射系数之比。 j h k e e n a n 和e p n e u m a n n 在1 9 4 2 年发表的文章中，介绍了工作喷嘴出口位于等 截面区的等面积混合模型分析研究的结果，主要有以下结论：当等截面段与喷嘴喉部 的面积比较小时( 小于1 0 ) ，两种混合方式的效果接近；等面积混合比等压混合的喷 射系数大；由实验结果与理论计算相比较，实际喷嘴出口位于等截面段入口外侧约半 个等截面段直径时，喷射系数最大；喷射系数随面积比的增加而增加，随膨胀比的增 加而降低【l z i 。 r i f f a t 和h o l t 对喷射器等压混合理论模型进行了深入研究，进一步完善了一维模 型。提出了等压混合的假设，即工作流体和引射流体在从喷嘴出口到等截面段前的吸入 室的某处开始混合，混合流到达等截面段出口时已完全混合。假设为理想气体，通过对 以空气为工质的喷射器进行实验研究，验证该模型与实际工况比较接近，因此，以等压 混合的假设为基础的这个一维模型理论成为许多研究喷射器理论的一个主要依据。但其 没有考虑引射流体的临界工况，即引射流达到声速的实际情况，与实际有很大偏差。同 时，他们给出了不同混合室长度时的实验数据【l 孤。 定压混合广泛应用于喷射器的设计中，同时定压混合理论同时也带来许多实际问 题，最主要的问题是混合阶段流动过程的复杂性，确切地说是混合室形状的确定，以保 证定压混合过程的有效性和充分性。由于当时也无法知道喷嘴和扩散器的效率，k e e n a n 回油喷射器的设计与优化 等人忽略喷嘴和扩散器的效率是因为这样可以使问题简化，同样，工作流体和引射流体 的流动过程也忽略了速度系数。前苏联热工研究所考虑了喷嘴和扩散器的效率以及工作 流体和引射流体的速度系数，对混合室入口段各种不同剖面形状的研究表明：锥形入口 段具有最大的速度系数，因而一般采用这种形式【1 4 】。 l s h a r r i s 和a s f i s h e r 于1 9 5 4 年，w f s t o e c k e r 于1 9 5 8 年分别对等压混合理论中 的工作流体与引射流体开始混合时的压力进行定义，定义该压力为引射流体达到声速时 的临界压力。考虑引射流体经扩压室收缩段时速度增加，在某一截面处达到声速，对应 压力为只，两股气流在此压力下混合。从而通过混合过程的动量守恒方程，对混合过 程进行计算，求出混合流的流动参数 1 0 a 1 】。 w o r k ，h e a d r i c h 以及h o l t o n 等人的实验表明流体分子量对喷射系数影响很大 1 5 , 1 6 】， 这也是k e e n a n 等人所没有考虑的。d e f r a t e 和h o e r l 等人修正了k e e n a n 等人的理论，采 用理想气体的分子式，考虑了工作流体和引射流体在喷射器内不同位置比热容变化的影 响，开发了一个电算程序用来确定分子量和温度分布对喷射器运行的影响，但由于当时 无法知道喷射器里温度变化情况，比热容的变化也就很难精确确定【r 7 1 。后来，k h o u r y 等应用d e f r a t e 和h o e d 的理论分析结果与分别用瓦斯气和正丁烷作为工作流体的实验结 果相比较，发现实验数据和理论分析结果并不一致，他们认为这是由于工作流体为真实 流体并且存在冷却现象所致【1 8 1 。 k e e n a n 等认为在定压混合阶段工作流体在很短的距离内加速至超音速，阻力的影 响是可以忽略的；因此没有考虑到阻力的影响。f r a n c i s 和h o g g a r t h 考虑了阻力的影响， 对流动过程作详细的数学描述从而建立一个最优运行工况模型，然而他们假定两股流体 入口的滞止温度相同【1 9 1 ，正是这一点限制了在实际中的应用。h o g g a r t h 在他的文章中指 出，在非设计工况下适当改变喷嘴与混合室的相对位置有可能改善喷射器的性能，然而 他并没有进一步提出一种计算在给定工况下喷嘴出口与混合室入口距离的方法。 徐海涛，桑芝富等在对蒸汽喷射器的工作过程进行深入分析的基础上，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。对喷嘴、混合段及扩 散段的效率对单级蒸汽喷射器的效率的影响做了分析。结果表明：动量守恒模型虽在数 学上与理想模型有一定的差异，然而采用适当的效率系数可以取得与经验数据满意的一 致性；而动能守恒模型当所有效率等于1 时能与理想模型相吻合，却很难找到一组系数 使之与经验值相拟合。采用动量守恒模型计算喷射系数及压缩压力，动能守恒模型分析 喷射器的效率能取得令人满意的效果【2 0 】。 大连理工大学硕士学位论文 e m a n u e l 基于r a y l e i i t o t 公式提出了一种用于优化喷射器性能的简化模型，将 总压与静压的比值表述成波前马赫数和比热之比的形式，以此来计算喷射器的压缩比 【2 。这种模型显著的优点是其可以预测喷射器所能达到的最大压缩压力以及混合段的喉 管积，然而它只能处理喷射系数小于l 的情形。 ， m u n d a y 和b a g g s t e r 于1 9 7 7 年提出喷射器设计的新方法，考虑了激波的生成。该理 论假设两股气流在渐缩段保持各自的状态。假设引射流体在收缩管某处达到声速。在接 近混合室收缩段末端生成热动力激波和混合，形成一瞬时的超音速混合流。没有超音速 流的减速过程，而是混合过程与激波生成过程同时进行，超音速的混合流马上被激波压 缩，升压、降速，成为亚声速流。这以后，混合流在亚声速扩压室内的速度接近零田】。 e d r o g d a k i s 和g k a l e x i s 以氨为工质的喷射制冷式空调系统进行研究，计算喷 射器的工况( 发生器、冷凝器、蒸发器的温度、压力) 对喷射器性能的影响。该方法考 虑到两种气流混合后的两种可能发生的情况：经扩压室收缩段减速、增压过程，收缩 段出口已变为亚声速流；在收缩段出口处仍是超音速流，则在等截面混合段形成激波， 超音速流经激波压缩，成为亚声速流。引射流体的壅塞现象对喷射器和整个系统的性能 系数影响很大，在激波前的压力不是常数，而是随运行工况和喷射系数改变【z 3 2 5 】。 r i c e 和d a n d a c h i 推导出了一条关于计算工作流体耗量的公式。用只昂和足昂的。 关系式表达喷射系数c o ，通过与实验值拟合的方法获取公式所需的系数。这种方法在分 析喷射器时颇具参考价值【2 6 】。刘爱萍在索科洛夫计算方法基础上，运用变量全微分的方 法推导了工作流体压力，引射流体压力及混合流体压力对喷射器喷射系数影响的具体表 达式，并通过计算数据分析了这些因素的影响次序【2 7 】。张于峰则提出了一种两相喷射器 的数学模型，该模型要比经典热力学法和气体动力函数法两种方法更为优越【2 引。王权、 丁旭昌等人对蒸汽喷射式热泵与电动、汽动热压缩热泵的功效进行比较后指出：蒸汽喷 射式热泵供热系数效益与其他两种的效益相差无几。蒸汽喷射式热泵还有比其他两个更 多的优点：可以灵活地按照工业余热的数量、品位来补充余热回收气量的不足，使整个 供热和余热回收系统达到平衡；造价比其他两个更加低廉，仅为汽动热压缩热泵的1 5 左右【2 9 】。 张少维等人自主开发了新型整流喷嘴，整流喷嘴普通在喷嘴出口部位增加了一个深 入到扩散管混合段的整流管，这样可以稳定混合段流体流动、改善激波系的分布、减少 流体混合能量损失，从而提高蒸汽喷射器的工作效率。在改变工作流体压力条件下，整 流喷嘴能有效的提高喷射器的工作效率，其平均喷射系数比普通喷嘴提高3 0 左右p 。 台湾大学机械工程系的h u a n g 和c h a n g 等人对喷射器的性能进行了较深入的理论和实验 研究。提出了假想喉口面积的概念，即引射流体在混合室收缩段某处达到声速时的面积， 回油喷射器的设计与优化 同时指出了激波的位置与等截面段的面积、长度、混合区的收缩角、喷嘴的位置及喷射 器的粗糙度有关并通过实验确定了以r 1 3 l 为工质的喷射器的假想喉口截面积【3 1 1 。台湾 工业技术研究所的c h a n g 和台湾大学的c h e r t 将花瓣状喷嘴用于喷射器系统中。在等截 面段与喷嘴喉部的面积比较大时，使用花瓣状喷嘴的喷射器性能优于传统的喷射器。使 用花瓣状喷嘴的喷射器存在某一最佳的面积比，传统锥型喷嘴的喷射器没有这一现象 f 3 2 】 o 近几年来，沈胜强等对喷射器的研究工作进行得比较系统全面，在喷射器性能分析 和结构设计方面，是以索科洛夫的一维等压混合理论为基础，通过实验的校验来不断的 修正蒸汽喷射器一维分析理论，形成了一套较完整的、建立在一维理论基础上的蒸汽喷 射器性能分析与结构设计的软件【3 3 3 4 】。为了进一步掌握喷射器内部的流动状况，了解喷 射器内部机理，大连理工大学的学者在喷射器的理论分析上，开始通过求解喷射器内流 动的二维、三维流体控制方程的方法，来捕捉喷射器内部的流场，并通过对大量的模拟 计算结果进行归纳总结，得出适用范围广、机理清晰的喷射器的性能分析理论【3 5 0 7 1 。 1 3 喷射器c f 0 数值模拟研究进展 喷射器的c f d 数值模拟研究是以计算机为媒介，把理论、实验与喷射器的理论研 究三者有机的结合起来，开辟了理论直接指导实验和设计工作的途径。因为在计算程序 中改变工作参数方面、工作环境方面、流体的物理性质等方面比在实验中改变这些参数 要容易而且更加快捷，相比实验和理论的研究，加快了研究速度，缩短了研究的时间， 拓宽了参数变化范围，必要时，可以以微小的变化进行研究，从而有助于增加研究的深 度和广度，同时也节约研究的成本，目前，喷射器的研究主要以c f d 研究为主。 以前建立的流场模型多为二维或三维的简化模型，且忽略了诸多影响流场的实际不 可逆因素，对模型的简化已经偏离了实际情况，导致流场模型失真和不实用，计算的结 果也难以与实验相符合，无法作为喷射器性能和结构的设计基础。对于喷射器来说，引 射流体入口处大量的旋涡，混合室可能出现的激波和涡流等特殊流体现象，它们对喷射 器的性能和工作效率有较大的影响，以上诸多因素都要求更准确，更全面地描述其内部 流场。而简化模型很难满足这一要求。因此建立可以描述蒸汽喷射器整个工作过程的流 场数值模拟方法和计算模型，是解决这一问题的关键。 1 3 1 数值模拟方法 c f d 研究基于流体流动的质量、动量和能量守恒方程，对于不同相态的工作流体可 能还要添加适当的状态方程，对于产生反应的流体还应加入反应方程，这就拓展了使用 大连理工大学硕士学位论文 的范围，有了反应方程，它便可以大规模的应用于化学中，本文就是讨论的还是其在流 体流动方面的应用。为了使方程有解，通常添加湍流模型来处理雷诺应力项。 ( 1 ) 数学模型 数学模型的建立和数值算法的选取在模拟计算中至关重要，湍流模型一般有一方程 模型、二方程模型、代数应力模型以及雷诺应力模型等。随着湍流理论的深入发展，己 有诸多问题的c f d 研究引入了大涡模拟方法进行湍流的高级数值模拟。在控制方程组 的数值算法上，常采用有限差分法或有限元法( f e m ) 和有限体积法( f ) 来离散积 分形式的控制方程。 喷射泵数值模拟广泛采用的是标准k 一占二方程湍流模型， o s r a z g 等提出了 r n g k 一占湍流模型，其所有模型参数的值均由理论推导得出。大涡模拟模型在喷射泵 模拟中用的比较少，且针对一般二维数值模拟没有考虑喷嘴壁厚和喉嘴距对喷射泵性能 的影响。何培杰等通过大涡模拟方法对喷射器内部流动进行了二维数值计算，得到了喷 射泵内部流动的流场分布、轴向压力和流速变化。结果分析表明，基于弱可压缩流体的 大涡模拟方法能较好地模拟喷射泵内部流动。大涡模拟方法对计算机的要求很高，是目 前c f d 研究和应用的热点之一【3 8 1 。 ( 2 ) 数值算法 控制方程组的数值算法，常用有限差分法或有限元法和有限体积法，来离散积分形 式的控制方程。对于喷射泵模拟，h e d g e s 和h i l l 率先发展了一种计算渐扩管流场的有 限差分算、法【3 9 1 。随后g i l b e r t 对它进行了改进【加1 ，但他们以及后来的b e i t h o u 和a y b a r 等人都没能解释超音速喷射器内有可能出现的壅塞、激波等现象。而有限元方法需要非 常庞大的内存空间，采用有限体积法能以较小的计算量获得较高的计算精度，所以通常 采用有限体积法。从计算精度和易于使用的角度来讲，一般采用q u c i k 或其改进格式 s m a r t 和二阶迎风格式来处理差分，它们的数值耗散明显低于一阶迎风和混合格式， 因此具有较高的精度。 1 。3 2 结构参数及工况参数的变化对性能影响的研究 喷射器的结构参数和工况参数是影响其实际工作性能的主要因素。在实际生产中由 于喷射器结构参数设计的不合理，经常出现真空度不稳定，从而影响整个生产装置的连 续、稳定、安全进行。因此，喷射器结构参数以及相应工艺参数的设计匹配是关系到整 个生产工艺能否正常运行的重要环节。 k i m 等人对m a s t u o 等人在实验中所采用的喷射器结构尺寸及操作参数进行了c f d 模拟，得出与实验一致的结论，即喉管面积比极大地影响着喷射泵的操作性能，对于给 回油喷射器的设计与优化 定的操作工况，存在一个最佳面积比对应于最佳的抽真空效果【4 l 4 2 】。同时，k i m 等人还 分析了喉管面积比这一特征几何参量对喷射器实际操作性能的影响。 李素芬、龙新平等定性地探讨了热力参数和几何参数对流场特性的影响规律，提出 了有效的喷射泵内部流动计算的数值方法，并用实验论证了理论的可靠性 4 3 , 4 4 。徐海涛 等采用大型c f d 软件f l u e n t 分别对大膨胀比、大压缩比的蒸汽喷射真空泵及大膨胀 比、中等压缩比的蒸汽喷射泵内的超音速流动过程进行了数值模拟。c f d 数值模拟结果 表明第二喉管起着扩展激波系的功能，其与喷嘴喉管面积比极大地影响着波系结构，从 而影响着喷射泵的操作性能。通过c f d 模拟不同的热力参数对喷射泵操作性能的影响， 将喷射泵的操作状态分为临界状态、亚临界状态和回流状态三类，同时指出了临界点为 最佳工作点【4 5 4 8 1 。 n e v e 建立了关于扩压器性能分析的二维轴对称数学模型，湍流模型使用k 一占模型， 研究了入口速度分布均匀性对扩压器性能的影响，考察了混合室长度、扩压器长度与扩 压器工作性能的关系【3 6 】。李素芬等建立了喷嘴中气体超音速流动的三维可压缩流动模 型，分析了喷嘴的扩张角和出口截面、流体初始压力对流动的影响【4 3 1 。r i f f a t 等采用三 维、不可压缩模型对喷射泵内全部的流场进行了计算，考察了三种不同形状喷嘴与吸入 通道内回流现象的关系【4 0 1 。由于使用了不可压缩流体模型，他们的研究中没有考虑超音 速气体流动对喷嘴性能的影响。对于气体喷射器而言，喷射泵内流体的压力变化较大， 喷嘴出口多处于超音速状态，必须考虑气体的可压缩性。张博等探讨了工作压力对喷射 泵性能的影响，研究结果表明持续降低出口压力会在混合室内形成激波，而喷射系数保 持不变；工作压力过高会在混合室内产生壅塞，反而降低喷射系数；吸入压力过低会在 喷射泵吸入通道内产生回流现象 3 6 】。 对于蒸汽喷射器而言，喷射器内流体的压力变化较大，喷嘴出口多处于超音速状态， 尤其包含分离涡、激波、真实气体效应等物理特性的多维湍流流场。于波等应用弱可压 缩流体控制方程和大涡模拟湍流模型，采用m a c c o m a c k 的预估一校正方法对喷射泵内 二维流场进行数值模拟，对喷射泵的不同运行工况进行计算得出较好的预测结果。张博 等研究发现蒸汽喷射器内各处的流动状况分布很不均匀，喷嘴内流体从亚音速到超音速 转变；吸入室内工作气体和吸入气体进行接触、碰撞和卷吸，流动状况比较复杂【珀】。毋 俊生等为了解决对蒸汽喷射器内部流场进行数值描述这一复杂问题，作了一些基本假设 和模型的简化【4 9 1 。他们认为喷射器内的流动为连续介质流动，忽略了流动的径向不均匀 性；工作蒸汽与被抽蒸汽在某截面上完全混合，在该截面前各自保持独立流动；整个流 动过程为绝热可逆流动。简化后的流动模型大大降低了c f d 数值模拟的难度，使对蒸 大连理工大学硕士学位论文 汽喷射器内复杂流动进行更深入的研究成为现实。蒸汽喷射器内的蒸汽是可压缩流体， 所以建立连续可压缩介质的质量、动量和能量守恒方程组。在连续性方程中含有密度p ， 因此可把密度p 视为连续性方程中的独立变量进行求解，再根据气体状态方程求出压 力。用c f d 技术对喷射泵进行数值模拟得到相关参数的变化规律，为结构参数优化设 计、操作性能的研究以及确定最佳工