喷射器的研究现状

喷射器的研究现状

1喷射器的组成喷射器，又称喷射泵，在20世纪50年代至60年代广泛应用于行业中。它具有结构简单、加工简单、成本低、工作可靠、安装维修方便、密封良好等优点，广泛应用于石油、医疗、冶金、石油等行业。喷射器是利用射流紊动扩散作用来传递能量和质量的流体机械和混合反应设备。它由喷嘴、喉管入口、扩压器及吸入室等部件组成,见图1。其工作原理是:有压流体(液体或气体)通过喷嘴射出,在喷嘴口处由于射流边界层的紊动扩散作用,与周围被吸流体发生动量交换,这两股流体在喉管入口段及喉管内混合,进行能量和质量传递,于是工作流体的速度减小,被吸流体的速度增大,两者的速度在喉管出口处渐趋一致。流体的压力从喷管出口截面到喉管入口截面是降低的,以后逐渐增高,通过扩散管将混合流体的动能转换成压力能,压力进一步升高,流体沿排出口被输送到用户中去。2喷射器的评价模型喷射器是依靠射流使流体质点间产生相互撞击来传递能量的在混合过程中产生大量旋涡,在喉管内壁产生摩擦损失以及在扩散管中产生扩散损失,所有这些都会引起大量的水力损失,从而使大部分能量在传递过程中损失掉,导致生产成本提高,效率降低。随着节能降耗、保护环境日益得到人们的重视,对改善喷射器结构和提高其性能的研究,越来越受到国内外研究者的重视。目前,对喷射器的理论研究尤其是对喷射过程的深入研究,还很缺乏。由大连理工大学沈胜强等编写的《喷射式热泵的设计计算和性能分析》介绍了喷射器设计的一维分析理论及方法。这一理论对喷射器的设计起了重要作用,但它对喷射器内的流动过程未能作出描述,不能分析影响喷射流动的因素,其分析结果有很大的局限性。采用多维数值模拟方法和激光多普勒测试仪测试对喷射器二维模型进行分析研究,能对喷射器内流动过程及影响因素有更清晰的了解,并能揭示一些一维理论无法解决、实验难以测量到的现象。对于喷射器来说,其结构虽然简单,但影响其性能的因素却比较多,包括喷嘴、喉嘴间距、喉嘴长度、扩散管角度、喷嘴与喉管面积比等,各个参数对喷射器性能都有不同程度的影响。另外,喷射器的工作流体、引射流体和混合流体的压力、流量、物性和操作条件以及附带设备的运行状况也直接影响其效率和性能。本文主要对喷射器性能进行综合分析,尤其是运用流体模拟计算对喷射器的喷嘴、混合室、扩压器内流场以及各部分尺寸对其性能的影响进行分析,从而对喷射器的结构参数进行优化。3扩压器生长过程喷射器的工作过程很复杂,为了便于分析,作如下假设:(1)压缩空气与被抽气体均为理想气体;(2)压缩气体与被抽气体在喷嘴出口到扩压器喉部入口间为等压混合;(3)流体在扩压器喉部发生正激波;(4)压缩气体及被抽气体在泵内的压缩与膨胀过程为绝热过程。压缩空气经过喷嘴变成超音速气流,喷射到扩压器的混合室内。由于空气流处于高速状态,而压力则降得较低,同时还降温,这就使吸入室内形成负压。此时,被抽气体被吸进混合室。本文采用流体数值模拟软件ANSYS(FLOTRAN)对喷射器内部的流场进行模拟,并对数值计算结果进行分析。3.1喷射器结构尺寸设计条件:压缩空气压力Pp=0.6MPa,Ph=0.1MPa,空气绝热指数Kp=Kh=1.4,气体常数R=287J/(kgK),温度tp=th=27℃。式中,下标p代表工作介质,h代表引射流体。工作介质和引射流体均为空气本文研究的喷射器结构尺寸如图2所示。计算假定:(1)工作喷嘴的出口截面和混合室的入口截面重合在一起;(2)在喷嘴出口截面所在平面与渐缩管入口截面之间的那一段上,工作介质和引射流体各自流动而不混合。由流体力学连续性方程及拉瓦尔喷嘴的特性(即喉部速度为音速)可推导出喷嘴喉部直径d0为2mm,从而得出其余结构参数,见图2。3.2湍流模型及约束采用二维建模,元素类型定义为2DFLOTRAN141。采用四边形网格,因壁面附近存在较大的速度梯度,故对其加密划分网格,见图3。然后,对其进行加载和约束,见图4。湍流模型选用标准k-X模型。在求解过程中应逐步将人工粘性减小,直至为零;动量惯性和压力惯性逐步增大,直至为1×1015;根据收敛情况适当调整稳态控制设置中的执行次数,最终得到分析结果。4网络压量的模拟结果(1)根据图5和图6的分析结果,轴向坐标X=30至X=50区域内,速度和压力变化平缓,即前面部分高速区变化很小。这部分实际上为射流初始段,在射流初始段存在一个高速射流的等速核。随着二次流的吸入,射流混合区在喉管内不断发展,即这部分不断卷吸周围二次流介质,等速核逐渐减小,呈锥形向前发展。在一定区域,等速核消失,这时射流区基本结束。紧接着是混合区域,速度急剧下降,形成湍流混合,即图5和图6中轴向坐标X=50至X=80这段区域内所显示的。根据文献中的理论,如果在此处采用维多辛斯基曲线的喷嘴,等速核心区会略长于锥状喷嘴,轴线上的速度会衰减得较慢,能量损失会较小,就可以达到最佳的节能效果。由图7可见,压力在喷嘴的喉部达到最低,而此时的速度接近临界速度,即音速。(2)由图8可以看出,工作流体中心与周围的引射流体之压差约为2.5×104Pa。图8中,轴向坐标X=20至X=50区域内,理论上压力应随着速度的增大而逐渐减小,但是图中却显示出压力连续波动,这是因为混合室入口截面近壁处轴向速度减缓,引射流体和工作流体在混合初始阶段速度相差较大,引起二次流卷吸,使局部区域出现了回流。随着扩压器中喉管内引射流体和工作流体混合的发展,两者速度逐渐均匀,且径向速度逐渐减小,回流也逐渐减小,直至消失。所以为了减小或者消除回流的影响,必须保证一定的喉管距离。(3)随着扩压器出口截面积的增大,轴向速度理论上应该逐渐减小,但是计算结果却出现局部速度增大的情况具体情况如图所示轴向坐标X=110处附近,速度出现峰值;图7和图8中,出现压力的降低。这是由于流体在射流的管道内部并没有完全膨胀,靠近出口截面的静压仍然大于环境压力,所以在出口截面附近继续膨胀。此时,由于截面面积的增大而导致的速度减缓完全被气体膨胀所产生的速度增量所抵消,故轴线上的速度继续加大直至完全膨胀。当气流完全膨胀后,由于截面积增大而导致的速度减缓所产生的影响才显现出来。如前所述,如果喷射器内部流道为维多辛斯基曲线的喷嘴,气流就会在喷管中逐渐趋于完全膨胀,从而获得均匀的出流速度场。(4)同样,出口截面附近有局部区域出现回流现象,而在前述文献的模拟结果中也有提及,但在其实验中未测出这一较小的负速度区,这就是本次分析的不够完善之处,有待于进一步改进。(5)本文研究的是可压缩轴对称